Nhiệt kĩ thuật và ứng dụng trao đổi nhiệt trong hệ thống hơi nước

Ph−ơng trình trạng thái của khí lý t−ởng (Clapêron)

Trong thực tế không có khí lý t−ởng, có thể xem khí lý t−ởng là trạng thái giới hạn của khí thực khi áp suất p rất nhỏ. Ph−ơng trình trạng thái khí lý t−ởng biểu diễn quan hệ giữa các thông số trạng thái của khí lý tưởng ở một thời điểm nào đó.

Ph−ơng trình trạng thái khí thực

Nếu tách riêng chất khí thứ i ra khỏi hỗn hợp và chứa nó vào bình có thể tích V, thì chất khí đó sẽ có áp suất là pi, pi đ−ợc gọi là áp suất riêng phần hay là phân áp suất của chất khí thứ i (hình 1.5). Nếu tách chất khí thứ i ra khỏi hỗn hợp với điều kiện áp suất, nhiệt độ của nó bằng áp suất và nhiệt độ hỗn hợp khí thì chất khí đó sẽ chiếm một thể tích Vi, Vi đ−ợc gọi là thể tích riêng phần hay là phân thể tich của chất khí thứ i (hình 1.6).

Thành phần khối l−ợng

Theo định luật bảo toàn khối l−ợng thì khối l−ợng của hỗn hợp sẽ bằng tổng khối l−ợng của các khí thành phần. Tỉ số giữa khối l−ợng của các khí thành phần với khối l−ợng của hỗn hợp đ−ợc gọi là thành phần khối l−ợng của chất khí đó trong hỗn hợp, ký hiệu là gi.

Thành phần mol của chất khí

Theo định luật Avogađrô, khi ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất thì.

Thể tích riêng của hỗn hợp

Nhiệt dung của chất khí phụ thuộc vào quá trình nhiệt động mà khối khí đó.

Phân loại nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng đẳng tích Cv: Khi quá trình nhiệt động xẩy ra ở thể tích không đổi, ta có nhiệt dung riêng đẳng tich (nhiệt dung riêng khối l−ợng đẳng tích Cv, nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích C’v, nhiệt dung riêng mol đẳng tích Càv).

Quan hệ giữa các loại nhiệt dung riêng

Tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích đ−ợc gọi là số mũ đoạn nhiệt, ký hiệu là k. Đối với khí lý t−ởng, số mũ đoạn nhiệt không phụ thuộc vào trạng thái của chất khí mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất khí.

Nhiệt dung riêng thực

Nếu hiệu nhiệt độ (t2 - t1) dần tới không, nghĩa là nhiệt độ t1 và nhiệt độ t2 cùng tiến tới giá trị nhiệt độ t thì nhiệt dung riêng trung bình trở thành nhiệt dung riêng thực ở nhiệt độ t. Thực nghiệm chứng tỏ rằng: nhiệt độ càng cao thì chuyển động, dao động của nguyên tử và phân tử càng mạnh nên tiêu thụ nhiệt l−ợng càng lớn.

Quá trình ng−ng tụ

Quá trình ng−ợc lại với quá trình sôi là quá trình ng−ng tụ, trong đó hơi nhả nhiệt và biến thành chất lỏng. Khi cung cấp nhiệt cho nước trong điêu kiện áp suất không đổi p = const, nhiệt độ và thể tích riêng tăng lên. Nếu tiếp tục cấp nhiệt vẫn ở áp suất đó thì cường độ bốc hơi càng tăng nhanh, nhiệt độ của nước và hơi không thay đổi và bằng ts.

Hơi nước ở trạng thái này được gọi là hơi bão hoà khô, được biễu diễn bằng điểm C. Nếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất đó thì nhiệt độ và thể tích riêng của nó lại bắt đầu tiếp tục tăng lên. Hiệu số nhiệt độ của hơi quá nhiệt và hơi bão hoà đ−ợc gọi là độ quá nhiệt.

Vậy ở áp suất p không đổi, khi cấp nhiệt cho nước ta sẽ có các trạng thái O, A, C tương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô. Tương tự như vậy, nếu cấp nhiệt đẳng áp cho nước ở áp suất p1 = const thì.

Đồ thị T-s và i-s của hơi n−ớc

Các bảng hơi nước cho phép tính toán các thông số trạng thái với độ chính xác cao, tuy nhiên việc tính toán phức tạp và mất nhiều thời giờ. Để đơn giản việc tính toán, ta có thể dùng đồ thị của hơi nước. Dựa vào đồ thị có thể xác định các thông số còn lại khi biết 2 thông số độc lập với nhau.

Cỏc đường độ khụ khụng đổi xuất phỏt từ điểm K đi tỏa xuống phia d−íi. Nghĩa là trong quá trình đẳng áp, nhiệt l−ợng q trao đổi bằng hiệu entanpi, vì vậy đồ thị i-s sử dụng rất thuận tiện khi tính nhiệt lượng trong quá trình đẳng áp. Đường độ khô x = const là chùm đường cong xuất phát từ điểm K đi xuống phía d−ới.

Quá trình đẳng tích của hơi nước được biễu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i-s hình 5.4. Trạng thái đầu đ−ợc biểu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đ−ờng p1 = const với đường t1 = const.

Quá trình đẳng áp

Trạng thái đầu đ−ợc biễu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đ−ờng p1 = const với đường t1 = const.

Các phương thức trao đổi nhiệt

Dẫn nhiệt là hiện t−ợng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử do trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền một phần động năng. Tỏa nhiệt là hiện t−ợng các phân tử trên bề mặt vật rắn và chạm vào các phần tử chuyển động có hướng của một chất lỏng tiếp xúc với nó để trao đổi động năng. Tỏa nhiệt xẩy ra tại vùng chất lỏng hoặc khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc.

Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện t−ợng các phân tử vật 1 bức xạ ra các hạt, truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ, mang năng lượng đến truyền cho các phân tử vật 2. Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt bức xạ có thể xẩy ra giữa hai vật ở cách nhau rất xa, không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi tr−ờng chất lỏng và khí, và luôn xây ra với sự chuyển hóa giữa năng l−ợng nhiệt và năng. Trường nhiệt độ là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ tức thời trong khoảng thời gian đang xét của mọi điểm trong hệ vật khảo sát.

Giá trị nhiệt độ tức thời tại mỗi điểm trong không gian đ−ợc xác định duy nhất như một đại lượng vô hướng, do đó, trường nhiệt độ là một trường vô hướng. Tùy theo tính đối xứng của trường số tọa độ không gian mà trường phụ thuộc (th−ờng đ−ợc gọi là số chiều của tr−ờng) có thể là 0,1,2,3.

Mặt đẳng nhiệt

Đây là phương thức trao đổi nhiệt giữa các thiên thể trong vũ trụ, chẳng hạn giữa mặt trời và các hành tinh. Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phương thức nói trên, đ−ợc gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp. Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức toả nhiệt và trao đổi nhiệt bức xạ.

Để mô ta phân bố nhiệt độ trong không gian theo thời gian, ta dùng khái niệm trường nhiệt độ. Biểu thức của trường nhiệt độ mô ta luật phân bổ nhiệt độ, cho phép xác. Theo thời gian, trường nhiệt độ được phân ra hai loại: Không ổn định và ổn định.

Nếu giá trị nhiệt độ tức thời tại mọi điểm trong hệ không thay đổi theo thời gian, tức t =0.

Công suất nguồn nhiệt

Để đặt trưng cường độ phát nhiệt tại điểm M của vật V, ta định nghĩa năng suất phát nhiệt của điểm M (x,y,z) là tỷ số v ,[W/m3].

Phân loại các điều kiện đơn trị

Phương trình vi phân dẫn nhiệt nói chung là phương trình đạo hàm riêng cấp 2, chứa ẩn là hàm phân bố nhiệt độ t(x, y, z, τ).

Các loại điều kiện biên

- ĐKB loại 5: cho biết trên biên W5 có sự trao đổi chất do sự khuyếch tán hay chuyển pha (chẳng hạn do hoá lỏng, hoá rắn hoặc thăng hoa, kết tinh). - ĐKB loại 7: cho biết biên W7 tiếp xúc với chất khí có nhiệt độ Tk, ở đó có sự trao đổi nhiệt bằng cả đối lưu và bức xạ.

Vách n lớp, biên loại 1 1. Bài toán

Cho vách phẳng n lớp, mỗi lớp thứ i dày δ, có hệ số dẫn nhiệt λ, 2 mặt biên có nhiệt độ không đổi, phân bố đều và bằng t0, tn cho trước.

Vách một lớp, biên loại 3 1. Bài toán

Vì ql = const với mọi mặt trụ, không phụ thuộc vào bán kính r nên ql đ−ợc coi là 1 đại l−ợng đặc tr−ng cho dẫn nhiệt qua vách trụ.

Dẫn nhiệt qua cánh

Lượng nhiệt truyền qua các loại cánh khác thường được tính gần đúng theo công thức của cánh thẳng t−ơng ứng rồi nhân với 1 hệ số hiệu chỉnh cho từng loại cánh.