Ch¬ng I NhiƯt kü tht NhiƯt kü tht bao gåm lĩnh vực khoa học có liên quan chặt chẽ với là: Nhiệt động học, học thủy khí truyền nhiệt Nhiệt động học nghiên cứu dạng lợng khác chuyển đổi lợng từ dạng sang dạng khác Cơ học thủy khí nghiên cứu dòng chảy chất lỏng chất khí Truyền nhiệt nghiên cứu truyền nhiệt tình khác chênh lệch nhiệt độ Phân tích thiết kế hệ thống lợng đòi hái ph¶i sư dơng c¶ ba lÜnh vùc khoa häc nhiệt kể 1-1 Nhiệt động học I Các khái niệm Trớc nghiên cứu nhiệt động học, cần xem xét lại định nghĩa hệ thống đơn vị Công chất Muốn chuyển hoá, nhiệt sang dạng lợng khác, ta phải dùng chất trung gian gọi công chất Trong thực tế thờng dùng công chất thể khí chúng có khả co dÃn lớn, thuận lợi cho việc trao đổi công Các pha công chất Công chất tồn dạng rắn, lỏng hay khí Có thuật ngữ riêng để diễn tả trình biến đổi từ pha sang pha khác Nóng chảy trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, trình ngợc lại, tức chuyển từ pha lỏng sang pha rắn gọi đông đặc Hoá trình chuyển từ pha lỏng sang pha trình ngợc lại, tức chuyển từ pha sang pha lỏng gọi trình ngng tụ Thăng hoa trình chuyển từ pha rắn sang pha trình ngợc lại chuyển từ pha sang pha rắn gọi trình ngng kết Đặc tính trạng thái công chất Đặc tính nhiệt động đợc quan sát thông qua đặc điểm công chất nh áp suất, nhiệt độ tỷ trọng Tình trạng công chất đợc mô tả thông qua đặc tính Ví dụ biết hai thông số độc lập nớc xác định trạng thái Điều cho phép xác định đợc đặc tính lại nớc Hệ thống kín hệ thống hở Hệ thống nhiệt động đợc định nghĩa nh tập hợp vật chất hay không gian Nếu hệ thống đợc định nghĩa với lợng công chất định hệ thống kín Khí dÃn nở xilanh phân tích nh hệ thống kín Nếu hệ thống đợc định nghĩa với thể tích không đổi coi hệ thống hở Một đoạn đờng ống với nớc ®i vµo vµ ®i lµ mét vÝ dơ vỊ hÖ thèng hë Lu ý r»ng hÖ thèng kÝn có lợng chuyển qua đờng bao hệ thống Trong hệ thống hở lợng khối lợng chuyển qua đờng bao hệ thống Việc lựa chọn đờng bao hệ thống định hệ thống kín hay hở Đờng bao hệ đợc lựa chọn tùy theo mục đích nghiên cứu khả phân tích Quá trình chu trình Quá trình thay đổi tình trạng hệ thống từ điểm sang điểm khác Có nhiều đờng để hệ thống chuyển từ trạng thái sang trạng thái hai Những trạng thái trung gian mô tả đờng trình Một chuỗi trình ghép lại với để đa hệ thống trạng thái ban đầu Chuỗi trình đợc gọi chu trình nhiệt động Nhiệt độ Nhiệt độ biểu thị mức độ nóng lạnh vật Thang nhiệt độ có nguần gốc dựa điểm đóng băng điểm sôi nớc áp suất tiêu chuẩn Trong hệ đo lờng SI, nớc đóng băng 0oC sôi 100oC Trong hệ đo lờng Anh, nớc đóng băng 32oF sôi 212oF Một thang nhiệt độ đợc định nghĩa với độ không tuyện đối (nhiệt độ thấp đạt đợc) Trong thang nhiệt độ tuyệt đối Kenvil, độ chênh 1oK độ chênh 1oC Vì độ không tuyt đối -273,15oC, nớc đóng băng 273,15oK sôi 373,15oK Nhiệt độ tuyệt đối hệ Anh độ Rankine toC = ToK – 273,15 = 5/9 (toF – 32) = 5/9 ToR – 273,15 T o o K C 373,1 273,1 100,0 0,0 273,1 0,0 o R o F Điểm sôi 671,6 491,6 212,0 32,0 Điểm đóng băng 0,0 459,6 Không tuyệt đối Hình 1-1 So sánh thang nhiệt độ áp suất Lực công chất tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc gọi áp suất tuyệt đối công chất MPa = 103 KPa = 106 Pa = 106 N/m2 KG/cm2 = 9,81 N/cm2 = 9,81.104 N/m2 = 0,981 bar bar = 0,1 MPa = 1,0197 Kg/cm2 mmHg = 0,1333 kPa atm = 101,325 kPa Áp suÊt d: Là phần áp suất lớn áp suất khí pd = p pa p suất chân không: Phần ¸p st nhá h¬n ¸p st khÝ qun pck = pa – p (pa - ¸p st khÝ qun) p ptd pd pa pck ptd chân không tuyệt đối Hình 1-2 áp suất tuyệt đối, áp suất d áp suất chân không Thể tích riêng khối lợng riêng Thể tích riêng tỷ số thể tích công chất khối lợng nó: v= V (m3/kg) m Ngợc lại, khối lợng riêng tỷ số khối lợng thể tích: = m (kg/m3) V II Định luật nhiệt động thứ Định luật nhiệt động thứ có hai phần Định luật bảo toàn khối lợng tổng khối lợng không đổi Định luật bảo toàn lợng lợng không tự sinh không tự Định luật chủ yếu sử dụng tính toán khối lợng lợng di chuyển vào hệ thống Định luật không khả hay chiều hớng trình Điều đợc trình bày định luật thứ hai 1.Sự bảo toàn khối lợng phơng trình liên tục Đối với hệ thống hở, thay đổi khối lợng hệ thống khác khối lợng vào khỏi hệ thống Đối với dòng chảy yên định, thay đổi khối lợng không, khối lợng vào nh nhau: mvào = mra Đối với dòng chảy yên định, chất lu vào hệ thống hở thiết diện A1 có vận tốc V1, khối lợng riêng thiết diện A2 với vận tốc V2, khối lợng riêng , phơng trình bảo toàn khối lợng trë thµnh: ρ1 A1 V1 = ρ2 A2 V2 Sự bảo toàn lợng dạng lợng Để áp dụng định luật bảo toàn lợng, cần phải hiểu đợc dạng tồn lợng Chúng ta nghiên cứu dạng lợng thờng đợc quan tâm Dạng lợng thứ công Công tích lực F tác dụng quÃng đờng x : L = Fx Dạng lợng thứ hai nhiệt Trong nhiệt động học, nhiệt đợc định nghĩa lợng chuyển qua ®êng bao cđa hƯ thèng sù chªnh lƯch nhiƯt độ hệ thống môi trờng xung quanh dQ = dU + dL Q Nhiệt U Nội L Cụng ca cht mụi gii 10 Thế phụ thuộc vào vị trí vật trọng trờng đợc tính theo công thức sau: W = mgz Trong z độ cao vật so với mặt biển Động vật đợc định nghĩa công cần thiết để đa vật từ trạng thái đứng yên đến vận tốc đợc tính theo công thức: W= mV 2 Một dạng lợng khó hiểu nội Nội số đo hoạt động bên phân tử hệ thống Nó gồm dao động chuyển động quay phân tử Điều khó khăn đo trực tiếp lợng phân tử Chúng đợc đo gián tiếp thông qua nhiệt độ pha chất lu Chất lỏng có nội nóng lớn lạnh Hơi nớc có nội lớn nớc nhiệt độ Nội thờng đợc kí hiệu chữ U Một thuật ngữ lợng khác cần đợc quan tâm lợng dòng chảy Đây công thực để đẩy khối lợng chuyển động vào khỏi hệ thống Năng lợng dòng chảy tích áp st vµ thĨ tÝch: W = pV = pmv Trong hầu hết vấn đề liên quan đến hệ thống hở, nội lợng dòng chảy xuất đồng thời Để thuận tiện ngời ta định nghĩa thông số gọi entanpi, đơn tổng hai lợng trên: I = U + pV hay cho đơn vị khối lợng: i = u + pv Entanpi thờng đợc tra theo bảng đồ thị Không nên hiểu entanpi nhiệt Nó đơn tổng u pv Ngoài thông số trạng thái liên quan đến nhiệt nhiệt độ nhng không dễ định nghĩa, Entropi, có vi phân bằng: 11 ds = dq T Trong đó: dq lợng nhiệt vô nhỏ trao đổi với môi trờng nhiệt độ tuyệt đối môi chất T oK III Phơng trình trạng thái khí lý tởng Phơng trình trạng thái phơng trình quan hệ thông số trạng thái độc lập, thờng thông số môi chất trạng thái cân Cho đến có phơng trình xác cho khí lý tởng Phơng trình trạng thái có dạng: pV = mRT đây: p p suất tuyết đối công chất (N/m2) V ThĨ tÝch cđa G kg c«ng chÊt (m3) m Khối lợng công chất (kg) R Hằng số chất khí (J/kgoK) T Nhiệt độ tuyết đối (oK) Viết phơng trình cho kg công chất: v pv = RT Thể tích riêng (m3/kg) Hằng số chất khí đợc tính theo công thức sau: R = Rà Rà H»ng sè phỉ biÕn cđa chÊt khÝ Rµ = 8314,3 (J/ KmoloK) Phân tử lợng Ví dụ: Một chai «xy dung tÝch 50 lÝt cã ¸p suÊt 200 KG/cm nhiệt độ 25oC Ôxy đợc sử dụng đến áp suất 30 KG/cm nhiệt độ giữ không đổi Tính lợng ôxy đà sử dụng Giải: Sử dụng phơng trình trạng thái khí lý tởng để tính khối lợng khí ôxy chai trớc sau sư dơng m1 = pV ( 200 + 1) ⋅ 9,81 ⋅ 10 × 50 ⋅ 10 −3 = = 12,73 kg RT 8314,3 / 32 × ( 25 + 273) 12 m2 = pV ( 30 + 1) ⋅ 9,81 ⋅ 10 × 50 ⋅ 10 −3 = = 1,96 kg RT 8314,3 / 32 ì ( 25 + 273) Khối lợng khí ôxy đà sư dơng = m1 – m2 = 12,73 – 1,96 = 10,77 kg IV NhiƯt dung riªng NhiƯt dung riªng nhiệt lợng cần thiết để làm đơn vị khối lợng công chất tăng lên độ Đối với chất khí, nhiệt dung riêng phụ thuộc vào cách thức trình cấp nhiệt Thờng ta tra theo bảng nhiệt dung riêng đẳng áp Cp nhiệt dung riêng đẳng tích Cv Đối với khí lý tởng, quan hệ Cv Cp đợc biểu thị hai c«ng thøc: Cp Cv – Cp = R Trong ®ã Cv =k R: H»ng sè chÊt khÝ k: Sè mũ đoạn nhiệt Cv = R k Cp = R ⋅ k k −1 Víi khÝ lý tëng, nhiệt dung riêng không phụ thuộc nhiệt độ đợc xác định công thức theo bảng sau: NhiƯt dung riªng cđa mét sè chÊt khÝ ë ¸p suÊt thÊp vµ 25 oC ChÊt khÝ Acetylene C2H2 µ k 26,03 1,23 R (kJ/kgoK) 0,319 Cp (kJ/kgoK) Cv (kJ/kgoK) 1,69 47 1,37 53 13 Kh«ng khÝ 28,97 1,40 0,287 1,00 47 0,71 76 Amoniac NH3 17,03 1,30 0,488 2,08 90 1,59 92 Cacbonic CO2 44,01 1,28 0,188 0,84 40 0,65 52 28,0 1,39 0,296 1,04 12 0,74 44 Clo Cl2 70,91 1,32 0,117 0,47 89 0,36 17 Etan C2H6 30,06 1,18 0,276 1,7525 1,47 61 Etylen C2H4 28,05 1,24 0,296 1,5297 1,23 33 Hyđrô H2 2,016 1,40 4,125 14,313 10,1 90 Mªtan CH4 16,04 1,32 0,518 2,1347 1,61 64 Nit¬ N2 28,01 1,39 0,296 1,0399 0,74 31 Oxy O2 32,00 1,39 0,259 0,9185 0,65 85 Pr«ban C3H8 44,09 1,12 0,188 1,6683 1,47 99 H¬i níc H2O 18,01 1,32 0,461 1,8646 1,40 33 Cacbon CO oxyt NhiÖt dung riêng khí lý tởng 14 Loại khí Trị sè k Kcal/kmoloK µ Cv KJ/kmoloK µ Cp µ Cv µ Cp Mét nguyªn tư 1,67 12,6 20,9 Hai nguyªn tư 1,40 20,9 29,3 Ba nguyªn tử 1,30 29,3 37,7 1-2.Các trình nhiệt động khí lý tởng Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng tích trình xẩy điều kiện thể tích không thay đổi Phơng trình trình: v = const p p1 p2 v1= v2 v Hình 1-3 Quá trình đẳng tích Từ phơng trình trạng thái suy ra: p1 T1 = p2 T2 Vậy trình đẳng tích, áp suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ Công thay đổi thể tích trình: 15 (Cv Cn)dT = -pdv Chia hai phơng trình cho vế với vế ta đợc: C p Cn Cv C n = vdp pdv n= Đặt: (*) C p − Cn Cv − C n Ta nhận thấy n = const Cp,Cv,Cn sè VËy tõ (*) ⇒ npdv + vdp = ndv dp + =0 v p ln v n + ln p = const Vậy phơng trình trình đa biến có dạng: pvn = const Chúng ta thấy phơng trình trình đa biến giống dạng phơng trình trình đoạn nhiệt Từ tơng tự trình đoạn nhiệt ta có: p2 v1 = p1 v2 n v1 p2 k = v2 p1 T2 p2 = T1 p1 n −1 n v = v2 n −1 C«ng d·n në: Tõ biĨu thøc pvn = p1v1n rót p thay vµo biĨu thøc dl = pdv dl = p1v1n dv LÊy tÝch phân hai vế ta đợc: 20 v2 l= n p1v1 v1 dv p1v1n − n +1 − n +1 p1v1n 1 = v − v = − n − v1n −1 v2n −1 − n + ( ) n −1 n −1 p2 n p1v1 v1 p1v1 l= 1− = 1 − n − v2 n − p1 Nhiệt dung riêng trình đa biến Cn tìm đợc: C n = Cv nk n Lợng nhiệt trao đổi với môi trờng trình đa biến: dq = CndT q = Cn(T2 – T1) p n =1 T n=k n=∞ n=k n =1 n= n= ±∞ n= n =1 o s o v Hình 1-7 Quá trình đa biến dT để xác định hệ số góc ds dT T T dq Cn dT = = = biĨu diƠn b»ng c¸ch: Tõ ds = suy ds Cn Cv T T Trên đồ thị T s, ta tìm ®êng ⋅ n −1 n−k 21 dT = , đờng biểu diễn ds - Với trình đẳng nhiệt, n = 1, nên đờng thẳng song song với trục hoành - Với trình đoạn nhiệt, n = k, nên dT = , đờng biểu diễn ds đờng thẳng song song với trục tung - Với trình đẳng áp, n = 0, nên dT T = , đờng biểu diễn ds C p đờng cong có hệ số góc tăng dần theo nhiệt độ, mặt lồi quay xuống dới - Với trình đẳng tÝch, n = ±∞ , nªn dT T = , đờng biểu diễn ds Cv có dạng tơng tự nh đờng đẳng áp, nhng có độ dốc lớn Cp > Cv nên T T > Cv C p 1-3 Định luật nhiệt động thứ hai Định luật nhiệt động học thứ cha đợc chiều hớng dòng nhiệt chuyển động nh chiều hớng trình chuyển hóa lợng từ dạng sang dạng khác, không nêu lên đợc mức độ biến hóa từ dạng lợng sang dạng lợng khác Chu trình Carnot Chu trình Carnot chu trình lý tởng động nhiệt có khả chuyển đổi nhiệt thành công lớn Một động thật hoạt động với hai giới hạn nhiệt độ có hiệu suất nhiệt đạt đến mc no ú nhng không vợt hiệu st nhiƯt cđa chu tr×nh Carnot Chu tr×nh Carnot bao gồm bốn trình: ã Quá trình cấp nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch ã Quá trình dÃn nở đoạn nhiệt thuận nghịch ã Quá trình thải nhiệt đẳng nhiệt thuận nghịch 22 ã Quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch HiƯu st nhiƯt cđa chu tr×nh Carnot cã thĨ tÝnh theo c«ng thøc sau: ηt = − TH TL Trong TH TL nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh (oK) p T TH = const TH TL TL = const v o s o H×nh 1-8 Chu tr×nh Carnot 2.Một vài cách phát biểu định luật nhiệt động thứ hai Tùy theo đặc điểm đối tợng nghiên cứu mà định luật nhiệt động thứ hai có nhiều cách phát biểu khác Cách 1: Nhiệt lợng không thĨ tù nã trun tõ vËt cã nhiƯt ®é thÊp đến vật có nhiệt độ cao đợc Cho nên muốn trun nhiƯt tõ vËt cã nhiƯt ®é thÊp sang vËt có nhiệt độ cao cần phải sử dụng thêm lợng bên Cách 2: Không thể sinh công cách liên tục động nhiệt làm việc theo chu trình với nguồn nhiệt Điều có 23 nghĩa phải có hai nguồn nhiệt, số nguồn cấp nhiệt cho công chất số nguồn nhận nhiệt từ công chất thải Điều có nghĩa chuyển hóa toàn nhiệt nhận từ nguồn nhiệt thành công đợc mà phần nhiệt thải cho nguồn lạnh, phần nhiệt chuyển thành công tối đa hiệu suất nhiệt chu trình Carnot thuận nghịch thuận chiều làm việc phạm vi nhiệt độ 1-4 Cơ học thủy khí Cơ học thủy khí môn khoa học nghiên cứu tác động chất lu (chất lỏng chất khí) trạng thái tĩnh động Nó sở để thiết kế phân tích hệ thống làm việc với công chất chất lu Phơng trình Bécnuli p dụng định luật Niutơn (F=ma) cho dòng chảy yên định chất lu lý tởng đờng dòng ta có phơng tr×nh BÐcnuli: V2 p + + z = const 2g Trong đó: V Vận tốc chuyển động tơng đối g Gia tèc träng trêng p Áp suÊt lßng chÊt lu γ Tû träng z Đé cao so víi mặt biển Ba số hạng công thức lần lợt đợc gọi cột áp động năng, cột áp áp cột áp Trong kỹ thuật thờng dùng đơn vị cột áp mét Lu ý phơng trình Bécnuli có giá trị với điều kiện sau: ã Dòng chảy kiên định ã Dòng chảy không chịu nén 24 ã Dòng chảy ma sát ã Dòng chảy theo đờng dòng Không đợc áp dụng phơng trình Bécnuli cho dòng chảy tình khác (nh dòng tức thời, chất lỏng có độ nhớt, dòng khí có thay đổi áp suất tỷ trọng) p suất tĩnh, áp suất toàn phần áp suất động p suất sử dụng phơng trình Bécnuli thờng đợc gọi ¸p st tÜnh,¸p st tÜnh lµ ¸p st cã thĨ đo đợc thiết bị chuyển động với dòng chất lu Đối với dòng chảy ống, đo cách rõ ràng không thuận tiện Tuy nhiên với lỗ nhỏ bên thành ống vuông góc với dòng chảy áp suất đo đợc áp suất tĩnh Nếu chất lu chuyển động độ nhớt nghĩa tổn hao ma sát áp suất đo đợc thiết diện vuông góc với dòng chảy đợc gọi áp suất tổng, po Đối với dòng chảy không chịu nén, tính áp suất tổng dựa phơng trình Bécnuli: thay = ρ ⋅ g , po p V = + 2g : khối lợng riêng po = p + V 2 Hình 1-9 Đo áp suất tĩnh áp suất tổng Dòng chảy áp suất tĩnh p áp suất tổng po 25 Số hạng cuối công thức V thờng đợc gọi áp suất động Nếu áp suất tĩnh áp suất tổng dòng chất lỏng đợc đo tính tốc độ dòng chảy Cột áp bơm Ngời ta áp dụng phơng trình Bécnuli để định nghĩa cột áp bơm Cột áp bơm cột áp tổng cửa đẩy bơm trừ cột áp tổng cửa hút bơm Theo phơng trình Bécnuli: V22 p2 V12 p1 H = + + z − + + z1 2g γ 2g γ Hay V − V12 p2 − p1 + + ( z − z1 ) H = 2 g Đơn vị cột áp đợc tính mét Cột áp bơm đợc đề cập kỹ nghiên cứu bơm chơng máy phụ tàu thủy 26 Độ nhớt Độ nhớt sức cản chất lỏng chống lại biến dạng chịu lực Vì mật đờng tỏ có sức cản lớn nớc chảy biến dạng, ngời ta nói nhựa đờng nhớt có độ nhớt cao Trên hình di cho thấy chất lỏng chuyển động hai phẳng, cố định, bị kéo chuyển động với vận tốc không đổi U nhờ lực không đổi F Chất lỏng tiếp xúc với chuyển động với vận tốc U chất lỏng tiếp xúc với dới đứng yên khoảng giữa, tốc độ chất lỏng thay đổi gần nh tuyến tính Thực nghiệm đối víi ®a sè chÊt láng, lùc F tû lƯ thn víi diƯn tÝch tÊm ph¼ng, tû lƯ thn víi vËn tốc U tỷ lệ nghịch với khoảng cách y Ứng suÊt tiÕp τ b»ng lùc kÐo F chia cho diện tích phẳng A Hằng số liên hệ lực đơn vị diện tích phẳng với vận tốc mặt cắt chất lỏng độ nhớt tuyệt ®èi µ (hay ®é nhít ®éng lùc häc): F dV = = A dy U V Tấm phẳng chuyển động F y Tấm phẳng cố định Hình 1-10 Định nghĩa độ nhớt Trong học thủy khí, tỷ số độ nhớt tuyệt đối tỷ trọng thờng xuất Tỷ số đợc gọi độ nhớt động học, kí hiệu Đơn vị ®é nhít ®éng häc lµ (cm2/sec) 1-5 Trun nhiƯt 27 Truyền nhiệt - Dòng nhiệt truyền từ vị trí sang vị trí khác , đóng vai trò quan trọng hoạt động nhiều hệ thống Nếu trao đổi lợng chênh lệch nhiệt ®é, ta nãi ®· xÈy sù trun nhiƯt Theo định luật nhiệt động thứ nội vật trao nhiệt nội thu vật nhận nhiệt Còn theo định luật nhiệt động thứ hai nhiệt đợc truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp Các tr×nh chi phèi sù trun nhiƯt bao gåm dÉn nhiƯt, đối lu xạ Hầu hết tình gặp phải kỹ thuật liên quan đến hai, trí ba, phơng thức truyền nhiệt Dẫn nhiệt thuật ngữ áp dụng cho trờng hợp trao đổi nội vËt thĨ, hc mét vËt tiÕp xóc víi vËt khác, cách trao đổi lợng từ phân tử với phân tử khác cách trực tiếp Trong dẫn nhiệt, truyền nhiệt xẩy phạm vi đờng bao vật thể không quan sát thấy chun ®éng cđa vËt chÊt Trao ®ỉi nhiƯt ®èi lu thuật ngữ áp dụng cho trờng hợp truyền nhiệt gây hòa trộn phần chất lu với phần khác chất lu chuyển động Trong trao đổi lợng từ phân tử đến phân tử khác dẫn nhiệt, lợng đợc chuyển từ nơi đến nơi khác chuyển động dòng chất lu Bức xạ thuật ngữ áp dụng cho trờng hợp trao đổi nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh thông qua xạ điện từ Sự khác quan trọng xạ hai hình thức truyền nhiệt truyền nhiệt xẩy mà không cần vật vận chuyển trung gian Ví dụ trái đất nhận nhiệt từ mặt trời qua hàng triệu kilômét khoảng không thông qua xạ nhiệt Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt đợc định nghĩa từ phần nh di chuyển nội lòng vật chất mà đổi chỗ vật chất Mặc k q T1 T2 28 dï dÉn nhiƯt cã thĨ xÈy chất lu, nhng thờng đợc quan sát thấy vật rắn Một ví dụ đơn giản dẫn nhiệt dòng nhiệt không đổi chuyển qua tờng rắn Hình 1-11 Dẫn nhiệt qua vách Nhiệt lợng truyền qua tờng có độ dầy x nhiệt độ hai bên thành vách T1 T2 đợc tính theo công thøc: q = kA Trong ®ã T1 − T2 x x k HÖ sè dÉn nhiÖt, W/moC A DiÖn tÝch vách, m2 Hệ số dẫn nhiệt đặc tính vật liệu tạo nên tờng Nó phụ thuộc vào thành phần hóa học, pha cấu trúc phân tư cđa chÊt liƯu VËt liƯu cã hƯ sè dÉn nhiệt thấp đợc gọi chất cách nhiệt, vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao đợc gọi chất dẫn nhiệt Chất lỏng có khả dẫn nhiệt tốt chất khí, chất rắn có khả dẫn nhiệt tốt chất lỏng kim loại rắn có khả dẫn nhiệt tốt chất rắn kim loại Cần phải lu ý hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ thay đổi theo áp suất.Một tình hay gặp tờng có nhiều lớp với vật liệu khác độ dầy khác Hình 1-12 mô tả mét bøc têng cã ba líp víi vËt liƯu kh¸c nhau,ở trạng thái ổn định, nhiệt lợng chuyển qua líp ph¶i nh 29 q T T T k k k x x x T H×nh 1-12 DÉn nhiƯt qua v¸ch nhiỊu líp q = k1 A T − T3 T − T4 T1 − T2 = k2 A = k3 A x1 x2 x3 KÕt hỵp ba phơng trình ta đợc: q=A T1 T4 x1 / k1 + x2 / k + x3 / k3 Đối lu Đối lu truyền lợng lòng chất lu chuyển động chất lu Có hai dạng đối lu bản: ối lu tự nhiên, khác tû träng dÉn ®Õn chun ®éng cđa chÊt lu Đèi lu cỡng bức, khác áp suất gây bơm hay quạt gió dẫn đến chuyển động chất lu Nhiệt trao đổi trình đối lu đợc tính theo công thức Newton: q = αA(Ts − T f ) Trong ®ã: α HƯ sè táa nhiƯt ®èi lu, W/m2 oC 30 A DiƯn tích bề mặt, m2 Ts Nhiệt độ bề mặt, oC Tf Nhiệt độ chất lu, oC Hình 1-13 biên dạng vận tốc nhiệt độ chất lu lạnh chảy qua phẳng nóng Lớp mỏng sát bề mặt phẳng có nhiệt độ vận tốc thay đổi đợc gọi lớp biên Lu ý vận tốc chất lu không vị trí tiếp xúc với bề mặt vật rắn tăng dần đến dòng chảy tự phía Nhiệt trao đổi bề mặt mà gọi trao đổi nhiệt đối lu, phụ thuộc vào hòa trộn cđa chÊt lu ë líp biªn HƯ sè táa nhiƯt ®èi lu phơ thc vµo nhiỊu u tè Mét yếu tố đặc tính chất lu, pha cđa chÊt lu (láng hay khÝ), vËn tèc dßng chảy, có hay chuyển pha chất lu, dạng bề mặt trao đổi nhiệt Hệ số tỏa nhiệt đối lu không dễ lập bẳng kê, đợc tính toán ớc lợng dựa thông số thực nghiệm x x V Tf Dòng chảy Giới hạn lớp biên V Ts T Bề mặt trao đổi nhiệt Hình 1-13 Lớp biên trao đổi nhiệt đối lu 31 Bøc x¹ NhiƯt cã thĨ trun tõ vật sang vật khác thông qua xạ điện từ Không giống nh truyền nhiệt dẫn nhiệt đối lu, xạ vật tiến hành vật chân không Cờng độ xạ vật đen tuyệt đối đợc tính theo định luật Stefan Boltzman: T q = C o A 100 W Co = 5,67 W/m2K4 lµ hƯ sè xạ vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối vật có khả hấp thụ hoàn toàn nhiệt xạ đến vật Vật liệu thực tế khả hấp thụ hay xạ toàn phần Để tính toán xạ vật thực ngời ta đặt khái niệm độ đen vật, kí hiệu Độ đen vật thay đổi từ 1,0 tơng ứng với vật đen tuyệt đối đến 0,0 tơng ứng với vật phản xạ tuyệt đối Một tình thờng gặp vật xạ nhiệt môi trờng xung quanh Nhiệt trao đổi xạ vật thực đợc tính theo công thức: Ts Tb q = εAC o − 100 100 NhiƯt lỵng trao đổi dơng, nghĩa vật nhận nhiệt, nhiệt ®é xung quanh lín h¬n nhiƯt ®é cđa vËt NhiƯt lợng trao đổi âm nhiệt độ xung quanh nhỏ nhiệt độ vật nghĩa nhiệt truyền tõ vËt m«i trêng xung quanh HƯ sè truyền nhiệt toàn phần Rất nhiều tình truyền nhiệt kết hợp dẫn nhiệt đối lu Ví dụ nhiệt truyền qua cửa kính phòng vào mùa đông Nhiệt truyền từ không khí ấm phòng đến bề mặt cửa kính đối lu, thông qua cửa kính dẫn nhiệt, từ mặt cửa kính đến không khí lạnh trời đối lu Hệ số truyền nhiệt toàn phần U, định nghĩa hệ số kết hợp 32 ba trình Nhiệt lợng truyền qua cửa kính đợc tính theo công thức: q = UA( Ti To ) NÕu chiỊu dµy cđa kÝnh lµ x vµ hệ số tỏa nhiệt đối lu phía phía hệ số truyền nhiệt toàn phần đợc tính nh sau: U= 1 / α1 + x / k + / α k Ti q T T α1 α2 T o x Hình 1-14 Truyền nhiệt qua vách phẳng Trờng hợp truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp hệ số truyền nhiệt đợc tính: U= n / α1 + ∑ xi / ki + / Một tình khác thờng gặp tổn thất nhiệt qua vách trụ Diện tích bề mặt vách trụ phía lớn phía Nếu nhiệt truyền qua vách trụ đợc tính theo diện tích vách trụ theo công thức: q = U o Ao ( Ti − To ) Th× hƯ số truyền nhiệt toàn phần đợc tính công thức sau: 33 Uo = r2 r r + ln + r1α1 k r1 α Ti q T α1 T k α2 T o Hình 1-15 Truyền nhiệt qua vách trụ Trờng hợp truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp hệ số truyền nhiệt đợc tính: Uo = n rn+1 r r + ∑ n ln i +1 + r1α1 ki ri α 34 ... 1, 39 0,296 1, 04 12 0,74 44 Clo Cl2 70, 91 1,32 0 ,11 7 0,47 89 0,36 17 Etan C2H6 30,06 1, 18 0,276 1, 7525 1, 47 61 Etylen C2H4 28,05 1, 24 0,296 1, 5297 1, 23 33 Hyđrô H2 2, 016 1, 40 4 ,12 5 14 , 313 10 ,1. .. CH4 16 ,04 1, 32 0, 518 2 ,13 47 1, 61 64 Nit¬ N2 28, 01 1,39 0,296 1, 0399 0,74 31 Oxy O2 32,00 1, 39 0,259 0, 918 5 0,65 85 Pr«ban C3H8 44,09 1, 12 0 ,18 8 1, 6683 1, 47 99 H¬i níc H2O 18 , 01 1,32 0,4 61 1,8646... p1v1n dv LÊy tÝch ph©n hai vế ta đợc: 20 v2 l= n p1v1 v1 dv p1v1n − n +1 − n +1 p1v1n 1 = v − v = − n − v1n ? ?1 v2n ? ?1 − n + ( ) n ? ?1 n ? ?1 p2 n p1v1 v1 p1v1