Bài giảng kỹ thuật nhiệt

Full giáo trình kỹ thuật nhiệt giành cho đại học và cao học. Đối tượng 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.

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.1 Hệ nhiệt động 1.1.1 Khái niệm hệ nhiệt động a Định nghĩa hệ nhiệt động Hệ nhiệt động (hệ thống nhiệt động) tập hợp phần tử để nghiên cứu tượng nhiệt - Các phần tử hệ nhiệt động có tính chất vật lí xác định (về vật chất, lượng, không gian thời gian) - Hệ nhiệt động đặt môi trường ngăn cách với môi trường mặt bao Mặt bao có tính chất lí tưởng xác định (bề mặt thật tưởng tượng) - Mơi trường lí tưởng hóa, tính chất môi trường giả thiết không đổi b Phân loại hệ nhiệt động  Theo trao đổi vật chất hệ môi trường: + Hệ không trao đổi vật chất với mơi trường hệ kín; + Hệ có trao đổi vật chất với mơi trường hệ hở  Theo trao đổi lượng với môi trường: + Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường hệ đoạn nhiệt; + Hệ không trao đổi (công) với môi trường hệ đoạn (đoạn công) * Hệ cô lập hệ kín khơng trao đổi dạng lượng với môi trường  Theo trạng thái tồn vật chất hệ: + Các phần tử hệ pha (thể vật chất) tạo thành hệ đồng pha (đồng thể); + Các phần tử hệ tồn nhiều pha khác tạo thành hệ dị pha (dị thể) c Ý nghĩa hệ nhiệt động - Hệ nhiệt động đối tượng nghiên cứu kỹ thuật nhiệt - Thường gặp hệ nhiệt động mơi chất, nguồn nóng, nguồn lạnh tổ hợp mơi chất nguồn nóng nguồn lạnh; máy nhiệt động đốt trong, động phản lực, súng pháo v.v hệ nhiệt động - Hệ nhiệt động thực tế phức tạp lí tưởng hóa thành hệ đơn giản để giải vấn đề 1.1.2 Môi chất a Định nghĩa môi chất Môi chất chất trung gian để biến đổi truyền tải lượng Mơi chất đơn chất hỗn hợp Đơn chất thường khó có đủ tính chất thỏa mãn yêu cầu thiết bị nhiệt nên người ta tìm cách hỗn hợp môi chất khác với tỷ lệ khác BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết b Mơi chất lí tưởng khí lí tưởng Mơi chất thực hệ nhiệt động phức tạp nên người ta lí tưởng hóa thành mơi chất lí tưởng có tính chất lí tưởng xác định Mơi chất lí tưởng pha khí, pha lỏng, pha rắn hỗn hợp pha Mơi chất lí tưởng điển hình khí lí tưởng Khí lí tưởng khí giả thiết bỏ qua ảnh hưởng thể tích thân phân tử chiếm chỗ toàn thể tích khí lực tương tác chúng c Ý nghĩa khí lí tưởng Trong thực tế khơng có khí hồn tồn lí tưởng mà có khí thực, nhiên điều kiện thơng thường với số chất khí coi khí lí tưởng Sử dụng mơi chất lí tưởng nhận giá trị giới hạn cần thiết làm sở so sánh hiệu môi chất thực điều kiện làm việc khác 1.1.3 Nguồn nhiệt nguồn công - Nguồn nhiệt nơi mà hệ nhiệt động trao đổi nhiệt với chúng, chúng bao gồm: + Nguồn nóng nguồn có nhiệt độ cao + Nguồn lạnh nguồn có nhiệt độ thấp Trong kỹ thuật nhiệt người ta giả thiết nhiệt dung nguồn nhiệt lớn, nên coi nhiệt độ nguồn khơng thay đổi q trình trao đổi nhiệt - Nguồn công nơi mà hệ trao đổi công với chúng 1.2 Trạng thái nhiệt động thông số trạng thái 1.2.1 Khái niệm trạng thái nhiệt động thông số trạng thái a Một số định nghĩa Trạng thái nhiệt động khái niệm biểu thị tồn hệ nhiệt động với tính chất xỏc nh mt thi im xác định mt thời điểm xác định hệ có khơng gian, vật chất lượng xác định, hệ trạng thái xác định Thông số trạng thái đại lượng vật lí xác định trạng thái cân định Thông số trạng thái đại lượng vĩ mơ đặc trưng cho tính chất hệ thống (đặc trưng cho toàn hệ thống) thời điểm xác định b Phân loại trạng thái nhiệt động - Trạng thái cân trạng thái khơng có tương tác phần (vật) hệ hệ với mơi trường Khi hệ khơng tồn biến đổi vĩ mơ hệ thống (khơng có truyền nhiệt khuếch tán, khơng có phản ứng hóa học), tồn chuyển động phần tử vi mô Ở trạng thái cân thông số trạng thái nơi hệ đặc trưng cho thơng số trạng thái hệ - Trạng thái không cân bằng: Trong thực tế không tồn trạng thái cân tuyệt đối mà trạng thái không cân Tuy nhiên, nhiệt động kỹ thuật nghiên BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết cứu trạng thái cân để làm sở cho việc nghiên cứu trạng thái thực tế hệ thống nhiệt động Như vậy, trạng thái cân khái niệm lí tưởng c Phân loại thơng số trạng thái  Căn vào khả đo: - Thông số trạng thái thơng số đo trực tiếp Ví dụ nhiệt độ T, áp suất p, thể tích riêng v - Hàm trạng thái thông số không đo trực tiếp mà phải xác định thông qua thông số trạng thái Ví dụ nội u, entanpy i, entropy s, execgy i  Căn vào phụ thuộc vào lượng vật chất: - Thông số mức thông số không phục thuộc vào lượng vật chất hệ Ví dụ nhiệt độ T, áp suất p - Thông số mở rộng thông số phụ thuộc vào lượng vật chất hệ Ví dụ thể tích V, nội U, entalpy I, entropy S 1.2.2 Các thông số trạng thái môi chất a Nhiệt độ  Định nghĩa: Nhiệt độ đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh vật  Thang nhiệt độ: - Nhiệt độ đo nhiều thang nhiệt độ khác thang nhiệt độ Kenvin, kí hiệu T (K) gọi thang nhiệt độ tuyệt đối; thang nhiệt độ Celcius, kí hiệu t (oC) gọi thang nhiệt độ bách phân; thang nhiệt độ Fahrenheit tF (oF) thang nhiệt độ Rankin TR (oR) - Thang nhiệt độ động học thang nhiệt độ tuyệt đối Theo thuyết động học phân tử giá trị nhiệt độ tuyệt đối xác định theo biểu thức: T m0 3K số Boltzmann; m0 khối lượng phân tử;  tốc độ chuyển động tịnh tiến trung bình phân tử - Giữa thang nhiệt độ có quan hệ với nhau: K  1,3804.1023 (J/K) 5 t  T  273,15  (tF  32)  TR  273,15 9 o o t  30 C ứng với T  303 K, tF  86 F TR  544,7 oR Ví dụ: Chú ý: Khi đo nhiệt độ dùng thang nhiệt độ khác nhau, có nhiệt độ tuyệt đối thông số trạng thái b Áp suất  Định nghĩa: - Theo quan điểm học: Áp suất lực tác dụng theo phương vng góc lên đơn vị diện tích bề mặt p P ; N/m2 (Pa) F P lực tác dụng vng góc lên bề mặt có diện tích F BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết - Theo thuyết động học phân tử: Áp suất tuyệt đối áp lực va đập phân tử chuyển động hỗn loạn với mặt bao p  n0m0 ; Pa n0 số phân tử vật chất chứa đơn vị thể tích, m0 khối lượng phân tử,  tốc độ chuyển động tịnh tiến trung bình phân tử p  pmt  pd p pd p > pmt pmt p < pmt p pmt p  pmt  pck pck p  Các loại áp suất tương đối: - Áp suất dư (pd) phần áp suất lớn áp suất môi trường (pmt) - Áp suất chân không (pck) phần áp suất nhỏ áp suất môi trường, gọi độ chân khơng Giữa áp suất tuyệt đối loại áp suất tương đối có quan hệ: Quan hệ loại áp suất Chú ý: Chỉ có áp suất tuyệt đối thơng số trạng thái hệ  Các đơn vị đo áp suất: Trong trình phát triển kỹ thuật nhiệt, áp suất đo đơn vị khác nhau: atmotphe vật lí (atm), atmotphe kỹ thuật (at), bar, milimet thủy ngân (mmHg), milimet cột nước (mH2O), pascal bội số decapascal (DPa) megapascal (MPa) Giữa đơn vị đo có mối quan hệ bảng sau: Đơn vị Pa = N/m2 Pa bar 105 KG/cm2 at vật lí torr mH2O 5 5 3 1,02.10 0,987.10 7,5.10 0,102.10 bar 105 1,02 0,987 750 10,2 at = 9,81.10 0,981 0,968 735,6 10 KG/cm atm 1,013.105 1,013 1,0332 760 10,3 3 3 3 mmHg 133,32 1,333.10 1,359.10 1,31.10 13,6.103 Chú ý: Trong bảng giá trị áp suất qui đổi với đơn vị mmHg oC, đo áp suất chiều cao cột thủy ngân ht nhiệt độ t cần qui chiều cao h0 oC theo công thức: h0  ht (1  0,000172.t ) c Thể tích riêng khối lượng riêng Thể tích riêng thể tích đơn vị khối lượng hệ v V ; m3/kg m Khối lượng riêng khối lượng đơn vị thể tích hệ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT  Chương trình 60 tiết m  ; kg/m3 V v Khối lượng riêng đại lượng nghịch đảo thể tích riêng d Nội  Định nghĩa: Nội năng lượng bên hệ, u (J/kg) Nội bao gồm nội động (uđ) lượng chuyển động phân tử nội (ut) lượng lực tương tác phân tử u  u� ut  Tính chất: - Nội phụ thuộc nội động nội Nội động phụ thuộc chuyển động phân tử, tức phụ thuộc nhiệt độ T Nội phụ thuộc lực tương tác phân tử, tức phụ thuộc khoảng cách phân tử hay phụ thuộc thể tích riêng v Vậy nội hàm trạng thái u  f (T , v ) Nội khí lí tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ khí lí tưởng bỏ qua thể tích thân phân tử, bỏ qua nội năng, nội khí lí tưởng nội động - Biến thiên nội trình nhiệt động phụ thuộc trạng thái đầu trạng thái cuối khơng phụ thuộc tính chất q trình Với chu trình kín biến thiên nội khơng u  u2  u1  � du du  � - Nội phụ thuộc vào lượng vật chất chứa hệ Vậy Nội thông số trạng thái mở rộng Nội hệ chứa m kg U (J) U  mu  Xác định nội năng: - Mỗi trạng thái có giá trị nội Trong tính tốn kỹ thuật khơng đòi hỏi xác định giá trị tuyệt đối nội mà phải xác định lượng biến thiên nội trình Trong kỹ thuật thường chọn t  oC hệ có u  - Biến thiên nội khí lí tưởng: du  Cv dT  Cv dt u  u2  u1  Cv (T2  T1 )  Cv (t2  t1 ) ; J/kg U  mCv (T2  T1 )  mCv (t2  t1 ) ; J e Entanpy  Định nghĩa: Entanpy tổng nội áp suất, i (J/kg) i  u  pv  Tính chất: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết - Entanpy phụ thuộc nội năng, tức phụ thuộc nhiệt độ T phụ thuộc thể tích riêng v Entanpy phụ thuộc vào áp suất, tức phụ thuộc vào áp suất Vậy entanpy hàm trạng thái i  f (T , p, v ) - Biến thiên entanpy trình phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối, khơng phụ thuộc tính chất q trình Với chu trình kín biên thiên entanpy i  i2  i1  � di di  � - Entanpy phụ thuộc vào lượng vật chất chứa hệ Vậy entanpy thông số trạng thái mở rộng Entanpy hệ chứa m kg I (J) I  mi  Xác định entanpy: - Mỗi trạng thái có giá trị entanpy Trong tính tốn kỹ thuật khơng đòi hỏi xác định giá trị tuyệt đối entanpy mà phải xác định lượng biến thiên entanpy trình Trong kỹ thuật thường chọn t  oC hệ có i  - Biến thiên entanpy khí lí tưởng: di  C p dT  C p dt i  i2  i1  C p (T2  T1 )  C p (t2  t1 ) ; J/kg I  mC p (T2  T1 )  mC p (t2  t1 ) ; J f Entropy  Định nghĩa: Entropy đại lượng có vi phân ds  dq ; J/(kg.K) T  Tính chất: - Entropy phụ thuộc nhiệt độ Như vậy, entropy hàm trạng thái - Biến thiên phụ thuộc trạng thái đầu trạng thái cuối, khơng phụ thuộc tính chất q trình Biến thiên entropy theo chu trình kín không s  s2  s1  � ds ds  � - Entropy phụ thuộc vào lượng vật chất chứa hệ Vậy entropy thông số trạng thái mở rộng Entropy hệ chứa m kg S (J) S  ms  Xác định entropy: Mỗi trạng thái có giá trị entropy đặc trưng Trong kỹ thuật phải xác định lượng biến thiên entropy trình, thường chọn T  K hệ có s  ds  dq dT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết dq s  s2  s1  � ds  � ; J/(kg.K) T 1 dq S  ms  m � ; J/K T 1.3 Phương trình trạng thái mơi chất Định nghĩa: Phương trình trạng thái phương trình liên hệ thông số trạng thái trạng thái xác định Phương trình trạng thái xác định lí thuyết thực nghiêm Cho đến có phương trình trạng thái khí lí tưởng xác định lí thuyết theo thuyết động học phân tử Kết lí thuyết phù hợp với định luật thực nghiệm Boyle-Mariotte Gay-Lussac 1.3.1 Phương trình trạng thái khí lí tưởng  Phương trình trạng thái cho kg khí lí tưởng: pv  RT (*) hay p  RT  p, v,  T áp suất, thể tích riêng, khối lượng riêng nhiệt độ tuyệt đối; R số chất khí, phụ thuộc vào chất chất khí  Phương trình trạng thái cho m kg khí lí tưởng: Nhân hai phương trình (*) với khối lượng m, nhận được: pV  mRT (**)  Phương trình cho kmol khí lí tưởng: Nhân hai vế phương trình (*) với khối lượng kmol khí lí tưởng, ta nhận được: pV    RT Đặt R   R gọi số chất khí phổ biến, ta nhận được: pV  R T (***) Hằng số chất khí phổ biến: R  pV T Theo định luật Avogađro, thể tích kmol khí lí tưởng điều kiện tiêu chuẩn oC 760 mmHg V  22,4 m3, ta nhận khí lí tưởng có số chất khí phổ biến R  8314 J/(kmol.K)  Phương trình trạng thái cho M kmol khí lí tưởng: Nhân hai phương trình (***) với số kmol M, ta nhận được: MpV  MRT  pV  MRT (****) Hằng số chất khí R xác định sau: So sánh (**) với (****) ta nhận được: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết mR  MR  R R R 8314   m   J/(kg.K) M 1.3.2 Phương trình trạng thái khí thực a Phương trình trạng thái tổng qt khí thực pv Z RT Z gọi độ nén Khí thực có lực tương tác thể tích thân phân tử nên phương trình trạng thái sai khác với phương trình trạng thái khí lí tưởng Phương trình trạng thái khí lí tưởng tương ứng với trường hợp Z  , Z �1 phương trình trạng thái khí thực Với khí thực, độ nén Z phụ thuộc vào chất trạng thái mơi chất, có giá trị xác định thực nghiệm b Một số phương trình trạng thái khí thực điển hình Cho đến có hàng trăm phương trình chưa có phương trình trạng thái túy lí thuyết dùng hồn tồn xác cho khí thực Thường dựa phương trình trạng thái khí lí tưởng, đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh xác định thực nghiệm  Phương trình Van Der Waals: � a�  v  b   RT �p  � � v � a, b hệ số xác định thực nghiệm trạng thái tới hạn a RTK 27 R2TK ; b8 p , 64 pK K TK pK nhiệt độ áp suất môi chất trạng thái tới hạn  Phương trình Beattie - Bridgman: c � � a� � � � b �� pv  RT � v  B0 �  ��  � A0 � 1 � � � v �� � � vT � � V � a, b, c, A0 B0 hệ số xác định thực nghiệm  Phương trình virian D Mayer - N Gogolioubov: � n k k � pv  RT � 1 � � � k 1 k  vk � k hệ số virian phụ thuộc vào nhiệt độ, xác định thực nghiệm Cho đến phương trình coi có độ xác 1.4 Q trình nhiệt động nhiệt dung riêng 1.4.1 Quá trình nhiệt động a Định nghĩa BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Quá trình nhiệt động trình biến đổi liên tiếp từ trạng thái sang trạng thái khác hệ nhiệt động b Phân loại - Quá trình cân trình tạo trạng thái cân - Q trình khơng cân trình tạo trạng thái mà có trạng thái khơng cân Thực tế hệ từ trạng thái sang trạng thái khác tính cân trạng thái bị sai lệch trình nhiệt động thực tế qua trạng thái không cân q trình thực tế q trình khơng cân Giả thiết trình chuyển trạng thái xảy vô chậm chạp thời điểm lại thiết lập trạng thái cân Như vậy, trình cân tập hợp trạng thái cân Chỉ có trạng thái cân biểu diễn đồ thị, có trình cân biểu diễn đồ thị - Quá trình thuận nghịch trình cân mà thực trình theo chiều ngược hệ qua tất trạng thái trình thuận theo thứ tự ngược lại mà khơng làm thay đổi trạng thái hệ môi trường - Q trình khơng thuận nghịch q trình khơng thỏa mãn điều kiện trình thuận nghịch Quá trình thuận nghịch q trình lí tưởng xảy vơ chậm chạp, cơng sinh q trình thuận nghịch cực đại Quá trình thực tế q trình khơng thuận nghịch, q trình khơng thuận nghịch phải tiêu tốn cơng để khắc phục ma sát, xốy truyền nhiệt, cơng sinh q trình khơng thuận nghịch nhỏ cơng sinh q trình thuận nghịch tương ứng Phần công tiêu tốn để khắc phục ma sát, xoáy truyền nhiệt biến thành nhiệt nung nóng hệ, xem q trình khơng thuận nghịch q trình thuận nghịch có thêm nhiệt truyền từ mơi trường vào hệ để nung nóng hệ 1.4.2 Nhiệt dung riêng a Định nghĩa Nhiệt dung riêng lượng nhiệt trao đổi với đơn vị vật chất làm thay đổi độ b Phân loại  Theo nhiệt độ: q - Nhiệt dung riêng thực nhiệt dung riêng giá trị nhiệt độ - Nhiệt dung riêng trung bình giá trị nhiệt dung riêng khoảng56 nhiệt độ q1 N T g 2 1  q q 2 u C1    Cdt t1 t t t2  t1 t t T y2 Biểu diễn nhiệt dung riêng ê thực Nhiệt dung riêng thực giới hạn nhiệt dung riêngvàtrung nhiệt bình dung riêng trung n bình  Theo đơn vị đo vật chất: lý c ấ u dq C dt q2 � o m tiết BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 y n - Nhiệt dung riêng khối lượng nhiệt dung riêng kg vật chất, kí hiệu é C, có đơn vị J/(kg.K) n - Nhiệt dung riêng thể tích nhiệt dung riêng m 3tc vật chất, kí hiệu pi tt C , có đơn vị J (m3tc K) ô n - Nhiệt dung riêng kilomol nhiệt dung riêng kmol vật chất, kí hiệu g C, có đơn vị J/(kmol.K) m ột Với khí lí tưởng, nhiệt dung riêng khối lượng, nhiệt dung riêng thể tích c nhiệt dung riêng kilomol có mối quan hệ: ấ C C C p C C � V  22,    khối lượng tính kg kmol chất khí, 22,4 thể tích tính bằng1 m3 kmol chất khí điều kiện tiêu chuẩn (b )  Theo đặc tính q trình: (a ) = - Nhiệt dung riêng đẳng tích nhiệt dung riêng theo q trình đẳng tích (v N , Cv const), Cv , Cv� h ữ - Nhiệt dung riêng đẳng áp nhiệt dung riêng theo trình đẳng áp (p = const), n C p , C p� , C p g Với khí lí tưởng, nhiệt dung riêng đẳng tích nhiệt dung riêng đẳng ápđ có mối quan hệ: Cp n C p  Cv  R k g Cv đ k số mũ đoạn nhiệt, với khí lí tưởng k số phụ thuộc số ngun tửặ tạo thành phân tử, khí thực k phụ thuộc nhiệt độ; R số chất khí c tí Từ k R nhận được: n R kR h Cv  C p  k 1 k 1 m c Tính chất vi  Nhiệt dung riêng khí lí tưởng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ mà ệphụ c thuộc vào chất mơi chất ổ n Nhiệt dung riêng khí lí thưởng đị n C p C h v Loại khí k c [kJ/(kmol.K)] [kJ/(kmol.K)] ủ Khí nguyên tử (He, ) 1,67 20,9 12,6 a q Khí hai nguyên tử (O2, N2, khơng khí, ) 1,4 29,3 20,9 u Khí ba nguyên tử trở lên (CO2, H2O, ) 1,3 37,7 29,3 ạt gi ó n4 10 n3 n BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Một vật rắn nhiệt độ T1 , hệ số hấp thụ A1 , diện tích bề mặt F1 vật nhiệt độ T2 , hệ số hấp thụ A2 , diện tích bề mặt F2 bao vật thứ Giả thiết vật thứ có nhiệt độ T1 lớn nhiệt độ vật thứ hai T2 Dòng nhiệt xạ hiệu dụng phát từ vật thứ Qhd vật thứ hai Qhd xác định theo biểu thức � � Q1 Qhd  Q12 �  � � A1 � A1 � � Q2 Qhd  Q21 �  � A2 � A2 � đây: Q1 , Q2 dòng xạ vật thứ vật thứ hai Q1  � E1dF1 F1 �T � �T � 1Co F1 � � A1Co F1 � � 100 � = 100 � � � = Q2  E2 dF2 � F2 �T � �T �  2Co F2 � � A2Co F2 � � 100 � = 100 � � � = Nhiệt truyền từ vật thứ đến vật thứ hai Q12 ngược chiều với nhiệt truyền từ vật thứ hai đến vật thứ Q21 ( Q12  Q21 ) Chỉ có phần xạ hiệu dụng vật thứ hai tới vật thứ nhất, đặc trưng cho phần hệ số góc xạ từ vật thứ hai tới vật thứ  21 phần lượng tới vật thứ  21Qhd Bức xạ hiệu dụng phát từ vật thứ hồn tồn đến vật thứ hai Dòng nhiệt truyền xạ từ vật thứ đến vật thứ hai Q12 Q12  Qhd   21Qhd Thay giá trị Qhd Qhd , ta được: Q1 Q   21 A1 A2 Q12  �1 �   21 �  1� A1 �A2 � Thay giá trị Q1 Q2 , ta được: 4 � � Co �T1 � �T2 � F  � � � � �F2 21 � 100 � 100 � �1 �� � �  21 �  1�� A1 �A2 � Hệ số góc xạ từ vật thứ hai tới vật thứ  21 xác định theo giả thiết nhiệt độ hai vật ( T1  T2 ) Q12 = 0, ta được: Q12  F1    F2  21  hay  21  F1 F2 Thay hệ số  21 ta có cơng thức 4 � Co F1 �T1 � �T2 �� Q12  � � � � �� 100 � � 100 �� �� F1 �1 �  �  1� A1 F2 �A2 � Vì   A nên viết 108 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Q12  Chương trình 60 tiết 4 � Co F1 �T1 � �T2 ��  � � � � �� 100 � � 100 �� �� F1 �1 �  �  1� 1 F2 � �   qd Đặt  F1 �1  1� gọi độ đen qui dẫn hệ thống, ta có � 1 F2 �  �2 � 4 � �T1 � �T2 �� Q12   qd Co F1 �  � � � �� 100 � � 100 �� � � Khi F1 �F2 hệ số xạ  21  ta nhận kết giống biểu thức xác định dòng nhiệt truyền xạ hai phẳng song song Còn F1 = F2 cơng thức có dạng 4 � �T1 � �T2 �� Q12  Co1F1 �  � � � �� 100 � � 100 �� � � Đây dòng xạ tồn phần của vật 12.4 Bức xạ chất khí 12.4.1 Đặc điểm xạ chất khí Những khí phân tử có hai ngun tử khí heli, oxi, nitơ v.v thực tế hấp thụ xạ lượng khơng đáng kể, khí phân tử có từ ba nguyên tử trở lên nước (H2O), cacbonic (CO2) v.v có khả hấp thụ xạ lượng - Khác với vật rắn vật xám có khả hấp thụ xạ tồn sóng có bước sóng từ đến , chất khí hấp thụ xạ lượng dải bước sóng định Như vậy, xạ hấp thụ lượng chất khí có tính chất chọn lọc - Khác với vật rắn chất lỏng xạ hấp thụ lượng xảy bề mặt vật, chất khí xạ hấp thụ lượng xảy tồn khối khí Như vậy, xạ chất khí có tính thể tích 12.4.2 Năng suất xạ chất khí Thực tế xạ nhiệt chất khí khơng tn theo định luật Stefan-Boltzmann, tính tốn người ta giả thiết xạ chất khí tuân theo định luật Stefan-Boltzmann suất xạ chất khí xác định theo công thức: �T � Ek   k Eo   k Co � k � ; W/m2 100 � � đây:  k độ đen chất khí; Eo suất xạ vật đen tuyệt đối, W/m2; Co hệ số xạ vật đen tuyệt đối, W/(m 2.K4); Tk nhiệt độ chất khí, K Độ đen chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ tích áp suất riêng phần ( p ) chiều dài tia xạ (l )  k  f (T , p, l ) 109 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Nếu hỗn hợp khí gồm khí cacbonic (CO2) nước (H2O) thì:  k   CO2   H2O đây:  CO  H O độ đen khí cacbonic nước xác định đồ thị riêng cho loại chất khí;  hệ số hiệu chỉnh kể đến phụ thuộc  H O vào áp suất riêng phần nước hỗn hợp xác định đồ thị 2  CO2  f (Tk , pCO2 l )  H2O  f (Tk , pH 2O l ) đây: pCO pH O phân áp suất khí cacbonic nước hỗn hợp, Pa Chiều dài tia xạ (l ) chiều dài quãng đường trung bình tia xạ khối khí 2 l  3,6 V ; m F đây: V thể tích khối khí, m3; F diện tích bề mặt bao khối khí, m2 Ek (W/m2) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 400 800 1200 1600 2000 tk (oC) Độ đen nước khí cacbonic Mật độ dòng nhiệt trao đổi xạ khối khí với bề mặt bao xác định theo biểu thức: �T � q  B k Co � k � ; W/m2 100 � � đây: B hệ số hiệu chỉnh kể đến xạ ngược lại bề mặt giới hạn vào khối khí xác định theo cơng thức: 3,6 �T � B   �m � �Tk � đây: Tm nhiệt độ bề mặt bao khối khí, K 12.5 Bức xạ mặt trời 110 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Mặt trời khối hình cầu khổng lồ có đường kính khoảng D  1,39.109 m, khối lượng khoảng m  2.103 kg Bên mặt trời liên tục xảy phản ứng nhiệt hạnh, phát lượng lớn Nhiệt độ tâm mặt trời khoảng từ 8.10 640.106 K Nhiệt độ mặt khoảng 3762 K Chính vậy, phần lớn lượng mặt trời xạ truyền dạng sóng ngắn Khoảng 98% lượng xạ mặt trời truyền dạng sóng có độ dài   m, khoảng 50% lượng nằm dải bước sóng   0,4 �0,76 m Các chùm tia xạ mặt trời truyền xuống trái đất phải xuyên qua lớp khí Một phần lượng truyền trực tiếp đến bề mặt trái đất, gọi xạ trực xạ Mật độ dòng xạ trực xạ truyền đến m2 bề mặt trái đất vng góc với tia xạ mặt trời khoảng 1350 W/m2 Phần lại lượng bị hấp thụ làm nóng lên, phát xạ truyền xuống mặt đất Đồng thời, tia xạ mặt trời bị phần tử khí ozon, nước bụi khí làm tán xạ, tia tán xạ truyền đến mặt đất Tổng lượng xạ tia xạ không xuất phát trực tiếp từ mặt trời truyền đến bề mặt trái đất gọi xạ tán xạ Trong khí ln tồn tầng ozon bao quanh trái đất Ozon chất khí có đặc tính hấp thụ hầu hết tia tử ngoại có bước sóng nằm khoảng 0,30,4 m Do đó, tầng ozon có tác dụng ngăn tia tử ngoại từ mặt trời chiếu xuống trái đất, đảm bảo hệ sinh thái trái đất không bị phá hủy Cho đến nay, người ta thu lượng mặt trời để sấy, sưởi, chưng cất nước, làm lạnh, điều hòa khơng khí, sản xuất điện v.v Dùng lượng mặt trời có ưu điểm không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời giải phần khó khăn nguồn lượng khác ngày hạn hẹp Chương 13 QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT 13.1 Truyền nhiệt phức tạp Quá trình truyền nhiệt trình lan truyền lượng nhiệt Khi khảo sát trình truyền nhiệt bỏ qua phần nhiệt động trình truyền nhiệt phân thành dạng dẫn nhiệt, tỏa nhiệt đối lưu xạ Quá trình truyền nhiệt xảy đồng thời dạng gọi trình truyền nhiệt phức tạp Khi khảo sát trình truyền nhiệt phức tạp phải đồng thời khảo sát dạng truyền nhiệt tham gia trình giả thiết bỏ qua ảnh hưởng lẫn chúng Xét trình truyền nhiệt phức tạp từ lửa đến vách buồng đốt, trình truyền nhiệt phức tạp gồm tỏa nhiệt đối lưu từ dòng khí lửa nhiệt độ t f đến vách buồng đốt nhiệt độ tw xạ nhiệt từ lửa đến vách buồng đốt Dòng nhiệt q trình truyền nhiệt phức tạp tổng dòng nhiệt đối lưu dòng nhiệt xạ 111 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết q  q�l  qbx ; W/m2  4 � �T f � �Tw �� q   (t f  tw )   Co �  � � � ��; W/m 100 � � 100 �� � � � � Trong tính tốn thực tế dòng nhiệt đối lưu vượt q dòng nhiệt xạ phải sử dụng cơng thức tỏa nhiệt đối lưu với hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ ( �lbx ) tổng hệ số tỏa nhiệt đối lưu ( ) hệ số tỏa nhiệt đối lưu qui dẫn xạ ( bx ) q   �lbx(t f  tw ) ; W/m2  �lbx     bx ; W/(m2.K) với:  bx � �T f  Co � � 100 � � �  tf � � �  tw �Tw �� � �� 100 ��; W/(m2.K) � � Trong điều kiện dòng nhiệt truyền xạ nhỏ nhiều so với tỏa nhiệt đối lưu, hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ ( bx ) phần hiệu chỉnh hệ số tỏa nhiệt đối lưu ( ) Trong trường hợp dòng nhiệt xạ vượt dòng nhiệt đối lưu, tính tốn dòng nhiệt tổng phải sử dụng cơng thức dòng nhiệt xạ với độ đen lửa xạ đối lưu tạo thành ( bx�l) tổng độ đen lửa ( ) độ đen qui dẫn đối lưu ( �l) 4 � �T f � �Tw �� q   bx�l � � � � ��; W/m 100 100 � � � � � � � � với:  bx�l     �l ; W/(m2.K4)  ( t f  tw )  �l  4 � �T f � �Tw ��; W/(m2.K4) Co �  � �� � 100 � 100 �� � � � � � � Trong điều kiện dòng nhiệt tỏa nhiệt đối lưu nhỏ nhiều dòng nhiệt xạ, độ đen qui dẫn đối lưu ( �l) phần hiệu chỉnh độ đen lửa ( ) 13.2 Truyền nhiệt qua vách 13.2.1 Cơng thức tính truyền nhiệt qua vách Vách ngăn trạng thái rắn ngăn cách mơi trường nóng t f mơi trường lạnh t f có dòng nhiệt truyền qua Truyền nhiệt qua vách truyền nhiệt phức tạp xảy đồng thời dạng truyền nhiệt Mật độ dòng nhiệt truyền nhiệt qua vách tỉ lệ với hệ số truyền nhiệt độ chênh nhiệt độ hai mơi chất nóng lạnh: q  K t  K (t f  t f ) ; W/m2 Khi đó, dòng nhiệt truyền qua vách là: Q� qdF ; W F Với vách phẳng cơng thức truyền nhiệt có dạng: 112 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Q  K F  t  K F (t f  t f ) ; W đây: Q dòng nhiệt truyền qua vách thời gian giây, W; K hệ số truyền nhiệt đặc trưng cho trình truyền nhiệt nhiệt truyền qua m2 bề mặt ngăn cách thời gian giây độ chênh nhiệt độ hai môi trường độ, xác định thực nghiệm, W/(m 2.K); F diện tích bề mặt vách ngăn (m2); t  t f  t f độ chênh nhiệt độ mơi trường nóng mơi trường lạnh 13.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng Vách phẳng ngăn cánh mơi trường nóng mơi trường lạnh (hình vẽ), vách phẳng trạng thái rắn có bề tf1  dầy  hệ số dẫn nhiệt  , mơi trường nóng chất tw1 2 khí chất lỏng có nhiệt độ t f hệ số tỏa nhiệt vào 1 bề mặt rắn 1 , môi trường lạnh chất khí tw2 tf2 lỏng nhiệt độ t f hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt rắn môi trường  Xác định mật độ dòng nhiệt truyền từ mơi  trường nóng sang mơi trường lạnh Giả thiết q trình truyền nhiệt qua vách phẳng ổn Truyền nhiệt qua vách phẳng định, thông số t f , t f , 1 ,  ,  ,  không thay đổi theo thời gian Mật độ dòng nhiệt từ mơi trường nóng vào vách phẳng xác định theo tỏa nhiệt đối lưu: q1  1 (t f  tw1 ) Mật độ dòng nhiệt dẫn qua vách xác định theo dẫn nhiệt: q   (tw1  tw )  Mật độ dòng nhiệt từ vách vào mơi trường lạnh xác định theo tỏa nhiệt đối lưu: q2   (tw2  t f ) Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách xác định theo công thức truyền nhiệt: q  K (t f  t f ) Vì trình truyền nhiệt ổn định nên: q1  q  q2  q Dễ dàng ta nhận hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng có dạng: K 1  ; W/(m2.K)   1   Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng là: q  K t  tf1 tf  ; W/m2   1   * Trong trường hợp vách phẳng nhiều lớp ngăn cách hai mơi trường nóng lạnh, ta có hệ số truyền nhiệt 113 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT K Chương trình 60 tiết 1  ; W/(m2.K) � i  1 i 1 i  n 13.2.3 Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh Một vách phẳng dầy  có hệ số dẫn nhiệt  , tiếp xúc mơi trường nóng nhiệt độ t f qua bề mặt có diện tích F1 với hệ số tỏa nhiệt 1 Mặt bên làm cánh có diện tích F2 tiếp xúc với mơi trường lạnh nhiệt độ t f , hệ số tỏa nhiệt  Cánh tỏa nhiệt đặc trưng hệ số làm cánh: F2 F1   1 2  tf1 tf2 tw1 t w2 F1 F2 Truyền nhiệt qua vách có cánh Trong kỹ thuật, thơng tường hệ số làm cánh ( ) khoảng 815 Trong điều kiện truyền nhiệt ổn định, ta có: Q  1F1 (t f  tw1 )   F1 (tw1  tw2 )   F2 (tw2  t f )  Giải hệ phương trình ta dòng nhiệt truyền qua vách có cánh là: Q F1 (t f  t f )    1   Ta biểu diễn cơng thức dạng cơng thức truyền nhiệt sau: Q  F1K c (t f  t f ) ; W Kc  với: 1  ; W/(m2.K)   1   13.2.4 Truyền nhiệt qua vách trụ Vách trụ ống hình trụ dài l , đường kính d1 , đường kính ngồi d , có hệ số dẫn nhiệt  Bên tf1  ống mơi trường nóng nhiệt độ t f bên ngồi ống tw1 2 mơi trường lạnh có nhiệt độ t f Nhiệt độ mặt ống chưa 1 tw2 biết tw1 tw2 (hình vẽ) l d1 tf2 Giả thiết trình truyền nhiệt ổn định nhiệt độ thay đổi theo hướng kính d2 Mật độ dòng nhiệt theo mét chiều dài vách Truyền nhiệt qua vách trụ trụ từ mơi trường nóng vào vách mật độ dòng nhiệt theo mét chiều dài dẫn qua vách mật độ dòng nhiệt qua mét chiều dài từ vách tỏa vào môi trường mật độ dòng nhiệt qua mét chiều dài truyền qua vách: ql  114 Q tw1  tw  1 d1 (t f  tw1 )    2 d (tw2  t f ) l �d � ln � 2 � �d1 � BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Giải hệ phương trình ta nhận mật độ dòng nhiệt dài qua vách trụ là: ql   (t f  t f ) 1 �d � ; W/m  � 1d1 2 � �d1 �  d Ta biểu diễn công thức dạng công thức truyền nhiệt sau: ql  Kl (t f  t f ) ; W/m Kl  với:  1 �d � ; W/(m.K)  ln � 1d1 2 � �d1 �  d * Với vách trụ nhiều lớp: Hệ số truyền nhiệt vách trụ nhiều lớp xác định theo biểu thức: Kl   1 �d � ; W/(m.K)  � ln � i 1 � 1d1 i 1 2i �di �  d n1 n 13.3 Tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt 13.3.1 Tăng cường truyền nhiệt Tăng cường truyền nhiệt tăng cường dòng nhiệt q trình tỏa nhiệt, để tăng cường dòng nhiệt phải xác định yếu tố ảnh hưởng đến dòng nhiệt tìm giải pháp kỹ thuật tác động vào chúng Dòng nhiệt truyền qua vách xác định theo biểu thức: q  KF t Muốn tăng cường dòng nhiệt phải tăng hệ số truyền nhiệt ( K ) , tăng bề mặt truyền nhiệt ( F ) tăng độ chênh nhiệt độ ( t ) Trong trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng hệ số truyền nhiệt xác định theo biểu thức: K 1    1 1  Tăng hệ số truyền nhiệt ( K ) phải tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu (1 , ) giảm  �  �� �� � � nhiệt trở dẫn nhiệt � � Giả thiết nhiệt trở dẫn nhiệt nhỏ bỏ qua � �0 �, hệ   � số truyền nhiệt ( K ) xác định theo biểu thức: 1 2  1    1 1 1  2 1 Theo biểu thức hệ số truyền nhiệt ( K ) nhỏ hệ số tỏa nhiệt nhỏ K  hệ số tỏa nhiệt cho Để tăng hệ số truyền nhiệt phải tăng hệ số tỏa nhiệt nhỏ có hiệu cao Khi hệ số tỏa nhiệt 1 gần hệ số tỏa nhiệt 2 cần thiết phải tăng hai mang lại hiệu cao Đối với vách có cánh, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt dòng nhiệt truyền qua vách có cánh bằng: 115 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Q Chương trình 60 tiết tf1 tf 1  1F1  F2 Dễ dàng thấy 1F1 =  F2 cách gần dòng nhiệt (Q ) gần bằng: Q �1F1 (t f  t f ) (*) Ngược lại, 1F1 ?  F2 thì: Q � F2 (t f  t f ) (**) Do đó, gọi  b� giá trị bé hai giá trị 1  diện tích kèm với Ftb , từ (*) (**) ta viết: Q � b�Ftb (t f  t f ) Từ rút kết luận: Khi độ chênh nhiệt độ (t f  t f ) xác định hệ số truyền nhiệt ( b�) tăng dòng nhiệt tăng tăng bề mặt truyền nhiệt ( Ftb ) Như vậy, cánh phải làm phía mơi trường có hệ số tỏa nhiệt đối lưu bé 13.3.2 Cách nhiệt Để hạn chế truyền nhiệt phải tăng nhiệt trở dẫn nhiệt, giảm hệ số tỏa nhiệt đối lưu 1  Một biện pháp tăng nhiệt trở dẫn nhiệt bọc cách nhiệt Những vật liệu để bọc cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, khoảng nhiệt độ từ 50  100 oC hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt   2,3 W/(m.K) Vật liệu cách nhiệt thường gặp thuỷ tinh, amiăng vật liệu xốp Khi lựa chọn vật liệu cách nhiệt phải đảm bảo chịu nhiệt độ làm việc, đảm bảo độ bền không thấm ẩm Khi nhiệt độ bề mặt cách nhiệt cao phải sử dụng cách nhiệt nhiều lớp Khi bọc cách nhiệt phía tiếp xúc mơi trường cần cách ẩm ẩm xâm nhập vào vật liệu cách nhiệt làm giảm khả cách nhiệt Khi bọc cách nhiệt cho ống hình trụ có đường kính ( d1 ) , đường kính ngồi ( d ) , hệ số dẫn nhiệt (  ) lớp cách nhiệt có đường kính ngồi ( d ) , hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt (CN ) , hệ số tỏa nhiệt bên (1 ) , hệ số tỏa nhiệt bên ( ) , nhiệt trở ống bọc cách nhiệt ứng với m chiều dài ống là: �d � 1 1 �d �   ln � � ln � � Kl  l d l 2 �d1 � 2CN �d �  2d Khi tăng đường kính ngồi lớp cách nhiệt ( d3 ) , nhiệt trở cách nhiệt Rl  � � �d � RCN  ln � � � �tăng R   d giảm Đạo hàm Rl theo d cho CN �d � � � không: � Rl 1   0 � d 2CN d  d 32 Ta tìm đường kính giới hạn: 116 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT d th  2CN 2 Chương trình 60 tiết ql Rl Rl Đường kính ( dth ) tương ứng nhiệt trở cực tiểu dòng nhiệt cực đại ql Từ biểu thức ta nhận thấy: - Đường kính ngồi cách nhiệt ( d3 ) miền d  d3  dth làm tăng dòng nhiệt tăng diện tích tỏa nhiệt bề mặt cách nhiệt d3 dth dhq - Đường kính ngồi bọc cách nhiệt d2 đường kính giới hạn ( d3  d th ) , tổn thất nhiệt đạt Quan hệ tổn thất nhiệt nhiệt trở với đường kính ngồi lớp cách nhiệt giá trị cực đại - Đường kính ngồi cách nhiệt lớn đường kính giới hạn nhỏ đường kính cách nhiệt tối thiểu ( dtgh  d  d hq ) , tổn thất nhiệt giảm xuống Tuy nhiên, tổn thất nhiệt lớn tổ thất nhiệt khơng bọc lớp cách nhiệt - Đường kính ngồi lớp cách nhiệt lớn đường kính cách nhiệt tối thiểu ( d  d hq ) , tổn thất nhiệt tiếp tục giảm nhỏ tổn thất nhiệt chưa bọc lớp cách nhiệt Như vậy, để bọc cách nhiệt cho ống có hiệu cần thỏa mãn điều kiện: qlCN  ql đây: qlCN mật độ dòng nhiệt dài ống bọc lớp cách nhiệt, W/m; ql mật độ dòng nhiệt dài ống không bọc lớp cách nhiệt Như vậy, muốn hạn chế tổn thất nhiệt bọc lớp vật liệu cách nhiệt cho vách trụ có đường kính ngồi ( d ) vật liệu cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt CN phải thoả mãn điều kiện:  d CN � 2 13.4 Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thực trao đổi nhiệt mơi chất (lỏng, khí hơi) có nhiệt độ khác 13.4.1 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt a Dựa theo chiểu chuyển động tương đối hai môi chất - Thiết bị trao đổi nhiệt chiều thiết bị mà hai chất mơi giới chuyển động song song chiều với - Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều thiết bị mà hai chất mơi giới chuyển động song song ngược chiều với - Thiết bị1 trao đổi nhiệt chéo thiết bị mà hai2chất môi giới chuyển 2 động cắt (a) (b) (c) 2 1 (d) 117 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Chuyển động môi chất thiết bị truyền nhiệt a Chuyển động xi dòng c Chuyển động cắt b Chuyển động ngược dòng d Chuyển động phức tạp b Dựa vào nguyên lí làm việc - Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn thiết bị mà hai chất mơi giới có nhiệt độ khác trao đổi nhiệt liên tục với qua vách ngăn Ví dụ két làm mát nước động tơ, bình ngưng - Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt thiết bị chất mơi giới trao đổi nhiệt với qua phận trung gian, gọi tích nhiệt Q trình trao đổi nhiệt hai chất mơi giới chia làm hai giai đoạn Giai đoạn đầu chất mơi giới có nhiệt độ cao qua tích nhiệt nhả nhiệt cho tích nhiệt Giai đoạn sau chất mơi giới có nhiệt độ thấp qua tích nhiệt nhận nhiệt từ tích nhiệt Sự trao đổi nhiệt có tính chất chu kì - Thiết bị nhiệt kiểu hỗn hợp thiết bị mà chất mơi giới có nhiệt độ khác trao đổi nhiệt với hỗn hợp trực tiếp với Ví dụ tháp làm mát tuần hoàn nhà máy nhiệt điện, thiết bị điều tiết khơng khí kiểu phun nước - Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt: Ống nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt làm việc dựa nguyên tắc: Chất lỏng nhận nhiệt hóa nhả nhiệt ngưng tụ thành thể lỏng Ống nhiệt có nhiều loại như: ống nhiệt trọng trường, ống nhiệt mao dẫn, ống nhiệt li tâm, ống nhiệt tự động Ống nhiệt chia làm ba phần: phần sơi (hóa chất lỏng), phần đoạn nhiệt phần ngưng 13.4.2 Tính thiết bị truyền nhiệt bề mặt Để thiết kế thiết bị truyền nhiệt phải tính diện tích bề mặt truyền nhiệt ( F ) để kiểm tra thiết bị truyền nhiệt phải tính độ chênh nhiệt độ ( t ) Cả hai trường hợp dựa vào phương trình cân nhiệt phương trình truyền nhiệt Nhiệt mơi chất nóng tỏa thiết bị truyền nhiệt: Q1  G1C p1 (t � f  t� f� 1) 118 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết đây: G1 lưu lượng khối lượng dòng mơi chất nóng, kg/s; C p1 nhiệt dung f t � f� nhiệt độ vào riêng đẳng áp môi chất nóng, J/(kg.K); t � o khỏi thiết bị truyền nhiệt mơi chất nóng, C Nhiệt mơi chất lạnh nhận từ thiết bị truyền nhiệt: Q2  G2 C p2 (t � f�  t� f2) đây: G2 lưu lượng khối lượng dòng mơi chất lạnh, kg/s; C p nhiệt dung f t � f� nhiệt độ vào riêng đẳng áp môi chất lạnh, J/(kg.K); t � o khỏi thiết bị truyền nhiệt môi chất lạnh C Để thiết bị nhiệt làm việc ổn định, nhiệt tỏa mơi chất nóng nhiệt nhận vào mơi chất lạnh Ta có phương trình cân nhiệt sau: G1C p1 (t � f  t� f� )  G2C p (t � f�  t� f 2) Đặt: G1C p1  C1 nhiệt dung lưu lượng mơi chất nóng G2C p  C2 nhiệt dung lưu lượng môi chất lạnh Đặt: t � f  t� f�  t f độ chênh nhiệt độ mơi chất nóng và t � f�  t� f  t f độ chênh nhiệt độ mơi chất lạnh Phương trình cân nhiệt thiết bị truyền nhiệt có dạng: C1t f  C2 t f  C1 t f  C2 t f Như vậy, thay đổi nhiệt độ môi chất thiết bị truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với nhiệt dung lưu lượng Trong thiết bị truyền nhiệt, nhiệt độ mơi chất nóng (t f ) nhiệt độ môi chất lạnh (t f ) thay đổi, bề mặt dF nhỏ nhận hệ số truyền nhiệt ( K ) , độ chênh nhiệt độ ( t f ) nhiệt truyền qua ( dQ ) xác định theo biểu thức: dQ  K tdF Dòng nhiệt truyền qua bề mặt truyền nhiệt F : Q� dQ  � K tdF  KF t F F K , t tđây: hệ số truyền nhiệt trung tbình độ chênh nhiệt độ trung bình dtf1 thiết bị truyền nhiệt t� t� f1 f1 dtf1 t' t t�1f i � t� � t ti t1f f2 t dtf2 t�2f t" dtf2 t�2f t�2f F dF t�1f F dF t� f1 t� f2 t� f� (a) t� f� t� f� t� f2 (b) t� f� 119 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết Đặc tính thay đổi nhiệt độ mơi chất truyền nhiệt a Sơ đồ thiết bị truyền nhiệt chiều b Sơ đồ thiết bị truyền nhiệt ngược chiều Có thể xác định độ chênh nhiệt độ trung bình theo phương pháp giải tích Khảo sát thiết bị truyền nhiệt làm việc theo sơ đồ chiều sau: Dòng nhiệt truyền qua phân tố bề mặt dF xác định theo phương trình truyền nhiệt: dQ  K (t f  t f )dF đây: t f 1, t f nhiệt độ môi chất nóng lạnh phân tố bề mặt dF Mơi chất nóng hạ thấp nhiệt độ dt f , môi chất lạnh tăng nhiệt độ dt f Theo phương trình cân nhiệt, ta có: dQ  C1dt f  C2 dt f  dt f   dQ dQ dt f  C1 C2 Sự thay đổi độ chênh nhiệt độ là: �1 � d (t f  dt f )  dt f  dt f   �  � dQ �C1 C2 � �1 � Đặt: �  � m , ta được: �C1 C2 � d (t f  t f )  mdQ  d (t f  t f )  mK (t f  t f )dF Đặt: t f  t f  t f , ta được:  d t f t f   mKdF Tích phân phương trình từ độ chênh nhiệt độ đầu vào t1  t � f  t� f đến độ chênh nhiệt độ đầu t2  t � f�  t� f� m K không đổi, ta nhận được: t2  d t f � t f t1 120   mK F dF � BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT  Chương trình 60 tiết �t � ln � � mKF �t1 � �t � ln � � mKF �t2 � hay Thay m ta nhận được: �t � �1 � ln � � �  �KF �t2 � �C1 C2 � Từ phương trình cân nhiệt ta có: t� f� dQ  C1dt f  C1    Q  � C1dt f  C1t f t� f1 Q t f t� f� dQ  C2 dt f  C2   Q C2 dt f  C2 t f � t� f2 Q t f Thay C1 C2 vào biểu thức lôgarit ta nhận được: hay �t � KF ln � � ( t f  ttf ) �t2 � Q KF � � � � � �� = Q � �t f  t f  t f  t f � KF � � � � � �� = Q � �t f  t f  t f  t f � KF = Q ( t1  t2 ) t  t2 Q  KF �t � ln � � �t2 �         So sánh với công thức truyền nhiệt, ta nhận được: t  t1  t2 �t � ln � � �t2 � t gọi độ chênh nhiệt độ trung bình lơgarit Tương tự, với thiết bị truyền nhiệt ngược dòng (hình b), cơng thức tính nhiệt độ trung bình lôgarit giống biểu thức t1  t � f  t� f� độ chênh nhiệt độ lúc vào thiết bị mơi chất nóng so với nhiệt độ môi chất lạnh, t2  t � f�  t� f độ chênh nhiệt độ lúc thiết bị môi chất nóng so với nhiệt độ lúc vào thiết bị môi chất lạnh t1 Khi t �1,7 , kỹ thuật người ta lấy gần đúng: 121 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết t  ( t1  t2 ) Từ biểu thức độ chênh nhiệt độ trung bình lơgarit nhiệt độ mơi chất nóng lạnh khơng đổi, độ chênh nhiệt độ lớn thiết bị truyền nhiệt ngược dòng nhỏ thiết bị truyền nhiệt xi dòng Sau tính độ chênh nhiệt độ trung bình  t  phải tính diện tích bề mặt truyền Q thiết kế cụ thể thiết bị truyền nhiệt K t nhiệt F � 122 ... nở đoạn nhiệt Mơi chất khơng trao đổi nhiệt, nhiệt độ giảm từ T1 đến nhiệt độ T2 cd - q trình nén đẳng nhiệt Mơi chất thải nhiệt q2  T2 scd q2 cho nguồn lạnh T2 17 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương... cần cấp nhiệt sinh công liên tục 2.2 Định luật nhiệt động II 2.2.1 Chu trình nhiệt động 15 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương trình 60 tiết a Định nghĩa Chu trình nhiệt động tập hợp trình nhiệt động...  2 2.1.2 Nhiệt trình T  Định nghĩa: Nhiệt năng, hay gọi tắt nhiệt, dạng lượng mà hệ nhiệt động trao đổi với  s2 21 (b ) (a ) q� Tds s1 12 s2 s1 Đồ thị nhiệt s BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT Chương