Bài giảng Nhiệt kỹ thuật

Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CĐ GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH - BÀI GIẢNG NHIỆT KỸ THUẬT BIÊN SOẠN: NGÔ THỊ KIM UYỂN TRẦN THỊ TRÀ MI LÊ ANH TUYẾN LƯU HÀNH NỘI BỘ- NĂM 2010 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật GIỚI THIỆU VỀ MƠN HỌC a Vị trí, tính chất mơn học Mơn học bố trí giảng dạy học kỳ khóa học bố trí dạy song song với mơn học sau: Ngoại ngữ, Vẽ kỹ thuật, Dung sai lắp ghép đo lường KT, Vật liệu học b Mục tiêu môn học: Kiến thức chuyên môn - Nắm vững kiến thức tính tốn thông số trạng thái, hiệu suất, nhiệt lượng cơng hệ nhiệt động, đặc biệt q trình trao đổi nhiệt sinh cơng chu trình lý tưởng động đốt - Hiểu khái niệm dịng chảy chất khí thông số trạng thái, đồ thị khơng khí ẩm - Hiểu cơng thức tính toán ứng dụng vào giải số tập đơn giản Kỹ nghề - Kỹ lắng nghe; kỹ làm việc nhóm; kỹ lập kế hoạch tổ chức cơng việc; - Kỹ tìm kiếm, tổng hợp, phân tích đánh giá thơng tin; - Kỹ sử dụng công nghệ thông tin Thái độ lao động - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác thực cơng việc - Thái độ biết lắng nghe, ham học hỏi, hứng thú với công nghệ - Thái độ cầu tiến, biết tuân thủ nội quy, quy chế trường, lớp Các kỹ cần thiết khác Bình tĩnh, tự tin biết kết hợp làm việc theo nhóm Nội dung mơn học Chương 1: Trạng thái chất khí Chương 2: Q trình nhiệt động mơi chất Chương 3: Các q trình khí lý tưởng Chương 4: Chu trình nhiệt động Chương 5: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích Chương 6: Chu trình cấp nhiệt đẳng áp Chương 7: Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Chương 8: Dịng chảy – Khơng khí ẩm Chương 9: Truyền nhiệt Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Kỹ thuật nhiệt gồm phần: Nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt Nhiệt động kỹ thuật giới thiệu chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới Chất mơi giới có vai trị quan trọng q trình biến hóa lượng Nhiệt động kỹ thuật nghiên cứu quy luật biến đổi dạng lượng, mà chủ yếu nhiệt công, làm sở để nghiên cứu chu trình động nhiệt Nhiệt động kỹ thuật giới thiệu trình nhiệt động khí lý tưởng, chu trình sinh cơng chu trình động đốt phân tích giải pháp nâng cao hiệu suất động nhiệt Trong phần truyền nhiệt giáo trình giới thiệu phương pháp truyền nhiệt thực tế dẫn nhiệt, tỏa nhiệt đối lưu, xạ nhiệt Giới thiệu toán truyền nhiệt điển hình thực tế Phân tích phương pháp tăng cường truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt Giáo trình biên soạn cho đối tượng sinh viên Cao đẳng ngành Cơng nghệ Ơ tơ tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh TCCN, CĐN Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tập thể cán giảng dạy Khoa Kỹ Thuật Ô tô Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM đóng góp ý kiến kinh nghiệm để hồn thiện giáo trình Mặc dù cố gắng khơng tránh khỏi khiếm khuyết Nhóm tác giả mong nhận ý kiến đóng góp người sử dụng để lần tái sau giáo trình hồn chỉnh Mọi ý kiến đóng góp xin gởi Khoa Kỹ Thuật Ơ tơ Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TpHCM – Số – Nguyễn Ảnh Thủ - P Trung Mỹ Tây – Q12 – TpHCM Nhóm tác giả Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật BÀI 1: TRẠNG THÁI CHẤT KHÍ ❖ MỤC TIÊU: Sau học này, sinh viên có khả – Hiểu số khái niệm hệ thống nhiệt động học – Hiểu thông số trạng thái chất khí – Hiểu vận dụng cơng thức tính tốn vào việc giải số tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 1.1 KHÁI NIỆM CHẤT KHÍ 1.1.1 Hệ thống nhiệt động − Hệ thống nhiệt động: tập hợp vật thể có liên quan với nhiệt mà ta nghiên cứu phương pháp nhiệt động học − Môi trường xung quanh: tập hợp vật thể không thuộc hệ thống nhiệt động học − Biên giới: bề mặt ngăn cách hệ thống nhiệt động học mơi trường xung quanh Hình 1.1: Hệ thống nhiệt động học Ví dụ: Ta nghiên cứu quy luật, tính chất biến đổi lượng khối khí xi lanh động đốt (hình 1.1) khối khí hệ thống nhiệt động học, xilanh + piston + khơng khí bên ngồi môi trường xung quanh, mặt xilanh mặt piston biên giới Để đơn giản ta gọi hệ thống nhiệt động học hệ (H) Các vật thể hệ có khả trao đổi nhiệt với với môi trường xung quanh (MTXQ): + Các vật cung cấp nhiệt lượng cho hệ gọi nguồn nóng + Các vật nhận nhiệt lượng từ hệ gọi nguồn lạnh + Nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh theo quy ước không đổi Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Phân loại hệ thống nhiệt động học theo mối quan hệ H-MTXQ trao đổi lượng vật chất hình 1.2, ta có loại hệ sau: Hình 1.2: Quan hệ H-MTXQ trao đổi lượng vật chất  Hệ kín: hệ khơng trao đổi vật chất với môi trường xung quanh  Hệ hở: hệ có khả trao đổi vật chất với mơi trường xung quanh  Hệ đoạn nhiệt: hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh  Hệ cô lập: hệ không trao đổi lượng vật chất với môi trường xung quanh  Hệ không lập: hệ có khả trao đổi lượng vật chất với môi trường xung quanh Động nhiệt: thiết bị nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nóng dãn nỡ sinh cơng, sau nhả phần nhiệt cho nguồn lạnh Qui ước: Nhiệt lượng hệ ký hiệu Q (hay q), công hệ ký hiệu L (hay l) Nếu: Q, q > : hệ nhận nhiệt Q, q < : hệ thải nhiệt ngồi mơi trường Nếu: L, l > : hệ dãn nở sinh công L, l < : hệ nhận cơng từ bên ngồi 1.1.2 Chất môi giới Để biến đổi nhiệt thành ta thường phải dùng chất trung gian gọi chất môi giới môi chất Thông thường, mơi chất chất khí (khơng khí) (hơi nước, môi chất làm lạnh) − Yêu cầu chất môi giới: rẻ tiền, không độc hại, dễ kiếm, có khả tích lớn thay đổi nhiệt độ − Trạng thái chất môi giới: thuật ngữ để tổng hợp tất đặc trưng vật lý chất môi giới thời điểm xác định Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 1.2 CÁC THƠNG SỐ TRẠNG THÁI CHẤT MƠI GIỚI Là thơng số vật lý, đặc trưng cho trạng thái chất môi giới Thông số trạng thái đo bao gồm: nhiệt độ t, áp suất p, thể tích riêng v; thông số trạng thái không đo bao gồm: nội u, entalpi i, entropia s 1.2.1 Thông số trạng thái đo a) Nhiệt độ: − Nhiệt độ thông số đặc trưng biểu thị cho trạng thái nóng, lạnh vật − Các đơn vị đo thường gặp là: 0C (Celcius), 0F (Farenheit), 0K (Kelvin) Quan hệ  K   C  : T  K  = t  C  + 273 b) Thể tích riêng: − Thể tích riêng: thể tích đơn vị khối lượng chất khí v= V  m3  , G  Kg  − Nghịch đảo khối lượng riêng thể tích riêng = G  Kg  , V  m3  c) Áp suất : − Áp suất lực tác dụng phân tử chất khí lên đơn vị diện tích bình chứa N − Kí hiệu: p   m  − Dụng cụ đo: có loại dụng cụ đo áp suất: manômet, baromet chân không kế + Manômet: dụng cụ để đo áp suất lớn áp suất khí quyển, ký hiệu: pd + Baromet: dụng cụ để đo áp suất khí quyển, ký hiệu: pkt + Chân không kế: dụng cụ để đo áp suất nhỏ áp suất khí quyển, ký hiệu: pck Nếu: p > pkT pd = p - pkt p < pkT pck = pkt - p Đơn vị đo áp suất: N/m2 = Pa bar = 105 N/m2 = 750 mmHg mmHg = Tor ( Torixenli) at = 0,981 bar = 735,6 mmHg = 10 mH2O Lưu ý: Khi đo áp suất chiều cao cột thủy ngân với độ xác lớn cần phải quy điều kiện nhiệt độ 00C có thay đổi thể tích thủy ngân theo nhiệt độ Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Công thức quy đổi sau: h 00 C  = h t 0C  (1 − 0, 000172t ) Với h 00 C  : chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ 00C h t 0C  : chiều cao cột thủy ngân nhiệt độ t0C 1.2.2 Thông số trạng thái không đo − Nội năng: u = ud + ut − Entalpia: i = u + pv − Entropia: s =  dq , tích phân phụ thuộc điểm đầu điểm cuối q trình khơng T phụ thuộc vào q trình 1.3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CHẤT KHÍ 1.3.1 Khí thực khí lý tưởng − Khí lý tưởng chất khí khơng có lực hút phân tử, thể tích thân phân tử (rất nhỏ, coi 0), khơng thay đổi pha, có nhiệt dung riêng khơng đổi Thực tế khơng có khí lý tưởng − Khí thực: khơng thể bỏ qua lực tương tác phân tử thể tích thân phân tử 1.3.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng Phương trình trạng thái khí lý tưởng viết cho G(kg) chất khí: pV = GRT Hay viết cho 1kg chất khí: pv = RT R= 8314  J  : số khí lý tưởng ,   kg.do   kg  Với:   : khối lượng phân tử  kmol  Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pV = GRT , ta có : Khi T=const : pV = const - định luật Boy-Mariot Khi p=const : V = const - định luật Gay-Luxac T Khi v=const : p = const - định luật Saclơ T 1.3.3 Phương trình trạng thái khí thực: Phương trình trạng thái khí thực xác định chủ yếu dựa vào thực nghiệm qua thực nghiệm đưa hệ số hiệu chỉnh áp suất thể tích Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật   a  Phương trình Vang Dec Van :  p +   ( v − b ) = RT v a : hệ số hiệu chỉnh áp suất v2 b : hệ số hiệu chỉnh thể tích -CÂU HỎI ƠN TẬP 1) Một bình kín tích 500 lít chứa khơng khí, áp suất tuyệt đối bar, nhiệt độ 200C Sau lấy sử dụng phần, nhiệt độ không thay đổi, độ chân khơng bình 420 mmHg, áp suất khí 768 mmHg Biết  khơng khí 29, tính lượng khơng khí lấy sử dụng? Đáp số: 0,91 kg 2) Piston chuyển động xi lanh chứa khí lý tưởng có áp suất dư ban đầu 0,2 at Khi piston dịch chuyển phía sau, độ chân khơng khí 600 mmHg Áp suất khí đo chiều cao cột thủy ngân, quy 00C 780 mm nhiệt độ khí khơng đổi Hỏi thể tích khí tăng lên lần? Đáp số: V2/V1= 5,16 3) Khí N2 điều kiện nhiệt độ 1270C, áp suất dư bar Biết áp suất khí bar Tính thể tích riêng v? Đáp số: 0,396 m3/ kg Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật BÀI 2: Q TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA MƠI CHẤT ❖ MỤC TIÊU: Sau học này, sinh viên có khả – Hiểu số khái niệm trình nhiệt động – Hiểu vận dụng cơng thức tính tốn vào việc giải số tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 2.1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG: − Q trình nhiệt động xảy có thơng số trạng thái thay đổi − Q trình cân trình thuận nghịch: + Trạng thái cân trạng thái có nhiệt độ áp suất chỗ tồn thể tích khối khí + Nếu q trình biến đổi, chất khí từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối, qua trạng thái trung gian trạng thái cân gọi trình cân + Muốn thực trình cân q trình phải tiến hành vơ chậm để q trình khơng có tổn thất ma sát, xốy, truyền nhiệt, ma sát, khuếch tán Trong thực tế tất q trình khơng cân + Nếu trình cân AB chất khí qua trạng thái trung gian 1, 2, 3,…, n; cho tiến hành ngược lại BA chất khí lại trở trạng thái n, …, 3, 2, tới trạng thái ban đầu A q trình gọi q trình thuận nghịch Người ta biểu diễn trình hệ toạ độ phẳng gọi đường trình (hình 2.1) 10 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật c Công hiệu suất nhiệt chu trình 45 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật CHƯƠNG : DỊNG CHẢY – KHƠNG KHÍ ẨM ❖ MỤC TIÊU: Sau học này, sinh viên có khả – Hiểu số khái niệm dịng chảy chất khí – Hiểu số khái niệm khơng khí ẩm ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 8.1 DỊNG CHẢY CỦA CHẤT KHÍ VÀ HƠI Nghiên cứu dịng chảy chất khí nghiên cứu q trình thay đổi thông số trạng thái chất môi giới, ngồi cịn nghiên cứu biến đổi tốc độ dòng chảy Những giả thiết đưa nghiên cứu: – Dòng chảy ổn định: thông số trạng thái chất môi giới điểm dịng chảy khơng thay đổi theo thời gian, nghĩa điểm khác tiết diện vng góc với dịng chảy – Dòng chảy liên tục: lưu lượng chất mơi giới qua tiết diện vng góc với dịng chảy 8.1.1 Quá trình tiết lưu a) Q trình tiết lưu: Xét ống có chứa dịng chảy chất mơi giới khí (hoặc hơi), tiết diện ống bị thu hẹp đột ngột phần lượng dòng chảy bị tiêu hao để thắng trở lực ma sát Hiện tượng gọi tiết lưu Quá trình tiết lưu thường kèm với giảm hiệu suất dịng chảy chất mơi giới điều có hại Tuy nhiên, đơi người ta cần tạo trình tiết lưu để điều chỉnh công suất thiết bị sử dụng nước, đo lưu lượng, giảm áp hệ thống làm lạnh… Tốc độ dòng chảy chất môi giới tăng lên lỗ Sau qua hết lỗ, tốc độ khí lại giảm xuống, áp suất tăng không ban đầu Vận tốc thay đổi dẫn đến khối lượng riêng khí tăng áp suất giảm, cịn nhiệt độ sau tiết lưu tăng lên, giảm xuống hay không đổi 46 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật b) Hiệu ứng Joul Thomson: Joul Thomson nghiên cứu tượng thay đổi nhiệt độ theo áp suất dòng chảy chất môi giới qua tiết lưu, tượng gọi hiệu ứng Joul Thomson Gọi  = dT hệ số Joul Thomson dp Nếu   : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới giảm Nếu   : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới tăng Nếu  = : sau tiết lưu nhiệt độ chất môi giới không đổi c) Ứng dụng trình tiết lưu Quá trình tiết lưu ứng dụng nhiều kỹ thuật như: van tiết lưu, điều chỉnh áp suất, công suất, đo lưu lượng dòng điều chỉnh nhiệt độ chất mơi giới kỹ thuật làm lạnh 8.1.2 Q trình lưu động a) Tốc độ âm : Tốc độ âm tốc độ lan truyền chấn động mơi, tính theo cơng thức : m a = kpv = kRT ,   s Như vậy: tốc độ âm không phụ thuộc vào chất vật lý mà phụ thuộc vào trạng thái môi trường b) Số Max (Ký hiệu M) Là tỉ số tốc độ dịng khí tốc độ âm mơi trường khí trạng thái Ta có: M =  a m Trong đó:  ,   : tốc độ dịng khí s m a,   : tốc độ âm s c) Ống tăng tốc : – Ống tăng tốc có tiết diện giảm dần: khơng cần tốc độ dịng khí vào ống 0 lớn, dùng để tăng tốc độ dịng khí ngõ 1 phải nhỏ tốc độ âm a ( 1  a ) 47 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Hình 8-1: Ống tăng tốc nhỏ dần – Ống có tiết diện tăng dần: tốc độ dịng khí 0 vào ống dẫn lớn tốc độ âm a ( 0  a ), dùng để tăng tốc độ dịng khí ngõ 1 lớn hôn tốc độ âm a ( 1  a ) Hình 8-2: Ống tăng tốc lớn dần – Ống tăng tốc hỗn hợp (ống Lavan): Ống ghép nối ống có tiết diện nhỏ dần với ống có tiết diện tăng dần Ống dùng để tăng tốc độ dịng khí ngõ 1 lớn tốc độ âm a ( 1  a ) cần tốc độ vào ống nhỏ 0  a Hình 8-3: Ống tăng tốc hỗn hợp 48 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật 8.2 KHƠNG KHÍ ẨM 8.2.1 Khái niệm Khơng khí ẩm hỗn hợp khơng khí khơ nước, thơng thường nước chiếm 0,47% thể tích khơng khí ẩm có phân áp suất chiếm khoảng 15-20mmHg Ta nghiên cứu không khí ẩm áp suất khơng cao lắm, thơng thường áp suất khí quyển, coi khơng khí ẩm khí lý tưởng Tùy theo lượng nước có khơng khí ẩm mà ta chia khơng khí ẩm làm loại: khơng khí ẩm bảo hịa khơng khí ẩm chưa bảo hịa – Khơng khí ẩm bảo hịa: khơng khí chứa lượng nước cực đại nhiệt độ xét, cho thêm nước bay vào không khí có nhiêu nước từ khơng khí ngưng tụ thành lỏng trở lại – Khơng khí ẩm chưa bảo hịa: khơng khí ẩm có lượng nước có lượng nước nhỏ lượng nước cực đại nhiệt độ xét, ta cho nước tiếp tục bay vào khơng khí ẩm chưa bão hịa 8.2.2 Các thơng số trạng thái Để xác định trạng thái khơng khí ẩm ngồi thông số nhiệt độ T áp suất p cần phải có thêm thơng số khác độ ẩm tuyệt đối, độ ảm tương đối độ chứa a) Nhiệt độ: T  o K  Xét khơng khí ẩm chưa bảo hịa : Tkhơng khí ẩm = Tkhơng khí khơ = Thơi nước Xét khơng khí ẩm bảo hịa : Tkhơng khí ẩm bảo hịa = Tđọng sương N  b) Áp suất: p   m  pkhơng khí ẩm = phơi nước + pkhơng khí khơ c) Độ ẩm tuyệt đối: Là phân áp suất nước khơng khí ẩm pn d) Độ ẩm tương đối  Là tỉ số phân áp suất nước phân áp suất bão hịa nhiệt độ khơng khí ẩm Ta có :  = pn 100% ps Trong : pn : phân áp suất nước khơng khí ẩm Ps : phân áp suất bão hịa khơng khí ẩm e) Độ chứa d 49 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Xét khơng khí ẩm có chứa Gk  kg  khơng khí khơ Gn  kg  nước Độ chứa d tính tỉ số: d = Gn Gk f) Entanpi không khí ẩm Thơng thường q trình nhiệt động học có khơng khí ẩm tham gia lượng nước thay đổi cịn lượng khơng khí khơ cố định Ta có: I = t + (2500 + 2t )d Trong đó: t : nhiệt độ d : độ chứa khơng khí ẩm I : entanpi 8.3 ĐỒ THỊ CỦA KHƠNG KHÍ ẨM Để thuận tiện cho việc dựng sử dụng đồ thị, người ta dựng đồ thị I-d với góc 1350 đồ thị I-d xây dựng cho khơng khí ẩm với áp suất p=745 mmHg nhiệt độ t = 1000 C Trên đồ thị biểu diễn đường: – d = const – I = const –  = const , đường cong  = const đường cong lên phần t  1000 C Đường  = 0% trùng với trục I Đường  = 100% biểu diễn trạng thái khơng khí ẩm bão hịa chia đồ thị làm phần Phần không khí ẩm chưa bão hịa,phần vùng sương mù, vùng 00C vùng băng tuyết Hình 8-4: Đồ thị I-d 50 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật – t = const , đường đẳng nhiệt đường xiên lên, nhiệt độ cao độ dốc lớn, đường t = nằm ngang – pkt d   , đường pn = f(d) có trục tọa độ pn bên phải đồ thị pn = f ( d ) ;  pn = d + 0, 622   – Trên số đồ thị cịn biểu diễn đường bão hịa đoạn nhiệt khơng khí ẩm, kí hiệu  -CÂU HỎI ÔN TẬP 51 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật CHƯƠNG : TRUYỀN NHIỆT ❖ MỤC TIÊU: Sau học này, sinh viên có khả – Hiểu số khái niệm truyền nhiệt đối lưu – Hiểu số khái niệm truyền nhiệt dẫn nhiệt – Hiểu vận dụng cơng thức vào việc giải số tốn cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 9.1 TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU Truyền nhiệt đối lưu trình trao đổi nhiệt xảy có dịch chuyển khối chất lỏng khí khơng gian từ vùng có nhiệt độ đến vùng có nhiệt độ khác Chất lỏng chất khí gọi tên chung chất lưu Quá trình truyền nhiệt đối lưu thực đồng thời với q trình dẫn nhiệt, q trình chuyển động không tránh khỏi va chạm trực tiếp phần tử chất lưu có nhiệt độ khác Quá trình trao đổi nhiệt bề mặt vật rắn dòng chất lưu chuyển động bề mặt gọi tỏa nhiệ đối lưu 9.1.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu a) Nguyên nhân gây chuyển động: Có loại chuyển động – Chuyển động tự nhiên: xảy phần tử chất lưu có khối lượng riêng khác nhau, mà khác chênh lệch nhiệt độ gây nên – Chuyển động cưỡng bức: có lực tác động bên ngồi (quạt, bơm, máy nén) b) Chế độ chuyển động chất lưu: Có chế độ – Chảy tầng: tốc độ nhỏ, phần tử chuyển động song song với vách rắn Nhiệt truyền theo phương vng góc với hướng chuyển động, chủ yếu dẫn nhiệt lớp chất lưu – Chảy rối: tốc độ lớn, phần tử chuyển động hỗn loạn Nhưng sát vách có lớp mỏng chảy tầng gọi lớp biên Nhiệt truyền theo phương vng góc với hướng chuyển động thực dẫn nhiệt qua lớp biên chảy tầng sau tăng cường lớp chảy rối bên 52 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Vì nhiệt trở lớp biên chảy tầng lớn nhiều so với nhiệt trở lớp chảy rối bên nên chế độ chảy rối, trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt trở lớp biên Tốc độ dịng chảy lớn chiều dày lớp biên mỏng, nhiệt trở giảm, truyền nhiệt tốt c) Tính chất vật lý vật d) Hình dáng, vị trí, kích thước vách rắn 9.1.2 Cơng thức Newton Q trình trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố Để xác định lượng nhiệt trao đổi bề mặt vách chất lưu, người ta dùng công thức Newton Công thức Newton có dạng: Q = qF =  F ( t w − t f ) Hình 9-1: Trao đổi nhiệt đối lưu Trong đó: q Q : mật độ dòng nhiệt , W  F : tiết diện bề mặt trao đổi nhiệt , m2 tw : nhiệt độ vách, 0C tf : nhiệt độ chất lưu xa bề mặt vách, 0C  W   : hệ số tỏa nhiệt đối lưu,   m C  9.2 TRUYỀN NHIỆT BẰNG DẪN NHIỆT Dẫn nhiệt trình trao đổi nhiệt vật phần vật có nhiệt độ khác tiếp xúc trực tiếp với 53 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Hiện tượng dẫn nhiệt xảy chất rắn mà chất lỏng chất khí 9.2.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng a) Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng lớp Các giả thiết: – Vách phẳng vật đồng chất,  = const – Bề dày  nhỏ so với bề dài bề rộng – Nhiệt độ bề mặt vách tw1 , tw2 không đổi, nhiệt độ biến thiên theo phương Ox, mặt đẳng nhiệt mặt phẳng Hình 9-2: Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng lớp Nhiệt lượng truyền qua vách phẳng lớp : q =   W ( tw1 − tw2 ) = t ,     m  Tổng nhiệt lượng truyền qua vách: Q = qF , W  b) Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp Giả sử ta có lớp vách phẳng có hệ số dẫn nhiệt 1 , 2 , 3 khác nhau, có bề dày 1 ,  ,  Dòng nhiệt truyền qua lớp vách phẳng 54 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Hình 9-3: Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng nhiều lớp Áp dụng kết vách phẳng lớp, ta có : q= 1  ( tw1 − tw2 )  tw1 − tw2 = q 1 1 q= 2  ( t w − t w3 )  t w − t w3 = q 2 2 q= 3  ( t w3 − t w )  t w3 − t w = q 3 3 -Cộng vế:     tw1 − tw =  + +  q  1 2 3   Nhiệt lượng truyền qua vách phẳng nhiều lớp: q = Tổng quát cho vách có n lớp: q = tw1 − tw( n +1)  1  + +  + n 1 2 n = tw1 − tw4 1   + + 1 2 3 t n  i =1 1 i 9.2.2 Dẫn nhiệt qua vách trụ a) Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ lớp Các giả thiết: – Vách trụ vật đồng chất,  = const – Bề dày  nhỏ so với bề dài bề rộng 55 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật – Nhiệt độ bề mặt vách tw1 , tw2 không đổi, nhiệt độ biến thiên theo phương bán kính Or – Vách trụ có đường kính 2r1, đường kính ngồi 2r2, chiều dài l Hình 9-4: Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ lớp Nhiệt lượng dẫn qua vách trụ là: Q = l r ln 2 r1 ( tw1 − tw2 ) , W  Nhiệt lượng truyền qua đơn vị chiều dài vách trụ: q= Q  = ( t − t ) , W  r2 w1 w2 l ln 2 r1 Nhiệt lượng truyền qua đơn vị bề mặt vách trong: l (t − t ) r2 w1 w2 ln t −t W  Q 2 r1 l q= = = tw1 − tw2 ) = w1 w2 ,   ( 2 r1l r2 r1 r2  m  F1 2 r1l ln ln 2 r1  r1 Nhiệt lượng truyền qua đơn vị bề mặt vách ngoài: l (t − t ) r w1 w2 ln t −t Q 2 r1 l W q= = = ( tw1 − tw2 ) = rw1 rw2 ,    r l r F2 2 r2l 2 ln ln  m  2 r1  r1 b) Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp 56 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Hình 9-5: Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ nhiều lớp Đối với vách trụ nhiều lớp, việc nghiên cứu tương tự vách phẳng nhiều lớp Nhiệt lượng dẫn qua vách trụ nhiều lớp (n lớp): Q= l ( t − t ) , W  ri +1 w1 wn+1 ln  ri i =1 21 n 9.2.3 Tăng cường hạn chế truyền nhiệt Trong thực tế có trường hợp muốn tăng cường truyền nhiệt, có trường hợp phải tìm cách hạn chế truyền nhiệt (cách nhiệt) Muốn giải tốt vấn đề cần phải: – Nắm vững đặc tính dạng trao đổi nhiệt – Tìm yếu tố ảnh hưởng nhiều đến trình trao đổi nhiệt a) Tăng cường truyền nhiệt Các biện pháp tăng cường truyền nhiệt: – Giảm nhiệt trở vách: giảm chiều dày, nâng cao hệ số dẫn nhiệt (dùng vật liệu dẫn nhiệt tốt, cạo bỏ lớp cặn bám thành ống, …) – Đối với trao đổi nhiệt đối lưu tìm cách tăng cường nhiễu loạn tăng tốc độ chuyển động dòng – Tăng độ đen nhiệt độ để tăng cường trao đổi nhiệt xạ Khi đồng thời có dạng truyền nhiệt, muốn tăng cường truyền nhiệt phải phân tích trường hợp cụ thể để tìm khả biện pháp có hiệu 57 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật b) Hạn chế truyền nhiệt  W  gọi vật liệu  m   Thông thường vật liệu nhiệt độ 50 1000 C có   0, 025  cách nhiệt Mục đích cách nhiệt là: – Tiết kiệm nhiên liệu – Để thực khả q trình kỹ thuật – An tồn lao động 9.4 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị tiến hành q trình trao đổi nhiệt công chất Dựa theo nguyên lý làm việc chia làm loại thiết bị trao đổi nhiệt: thiết bị trao đổi nhiệt ngăn cách, thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp – Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ngăn cách (vách ngăn): loại thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp kỹ thuật Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ngăn cách chất mang nhiệt trao đổi nhiệt với thông qua vách ngăn – Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt có đặc tính làm việc bề mặt trao đổi nhiệt mang tính chất chu kỳ, nghĩa khoảng thời gian định bề mặt tiếp xúc với cơng chất nóng nhận nhiệt, chu kỳ sau bề mặt lại nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh qua chúng Như thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt ln xảy q trình trao đổi nhiệt khơng ổn định – Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp: cơng chất nóng lạnh trao đổi nhiệt với chúng hỗn hợp với Đặc điểm loại thiết bị trình trao đổi nhiệt tiến hành với trình trao đổi chất -CÂU HỎI ÔN TẬP  W  , đường kính  m   9.1 Một ống dẫn làm thép có hệ số dẫn nhiệt 1 = 46, 44   W   m   200/216mm, bọc lớp cách nhiệt dày 120mm có hệ số dẫn nhiệt 2 = 0,116  nhiệt độ tf1=3000C, nhiệt độ khơng khí xung quanh tf2=250C Hệ số tỏa nhiệt 58 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật  W  hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt đến khơng khí  m   đến bề mặt  = 116   W  Tìm nhiệt lượng tổn thất 1m chiều dài ống đơn vị thời gian  m    = 9,86  nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt? W , tw = 42,50 C  m Đáp số: ql = 248,54  59 ... Chương 9: Truyền nhiệt Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Kỹ thuật nhiệt gồm phần: Nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt Nhiệt động kỹ thuật giới thiệu chất môi giới thông số trạng thái... chuẩn: s = − Trên đồ thị T-s nhiệt lượng q biểu thị diện tích s 1-1 -2 -s2-s1 14 Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật Hình 2.3: Biểu diễn nhiệt lượng hệ tọa độ T-s 2.3 Định luật nhiệt động thứ nhất: (Định... đóng góp xin gởi Khoa Kỹ Thuật Ơ tơ Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM – Số – Nguyễn Ảnh Thủ - P Trung Mỹ Tây – Q12 – TpHCM Nhóm tác giả Bài giảng: Nhiệt Kỹ Thuật BÀI 1: TRẠNG THÁI CHẤT