CHƯƠNG 1. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BUỒNG LẠNH
1.3 Cơ sở lí thuyết
Nguyên lý làm việc của buồng lạnh là quá trình trao đổi nhiệt giữa nito lỏng và không khí bên trong, do đó ta cần nghiên cứu quá trình này để hoàn thiện cơ sở tính toán. Dựa vào các quy luật trao đổi nhiệt, ta có thể xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt và sự phân bố nhiệt trong buồng lạnh.
Có thể chia quá trình truyền nhiệt thành các dạng trao đổi nhiệt cơ bản như sau:
- Dẫn nhiệt;
- Trao đổi nhiệt bằng đối lưu;
- Trao đổi nhiệt bằng bức xạ.
1.3.1 Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau. [13] Để có quá trình dẫn nhiệt xảy ra thì các vật phải có độ chênh lệch nhiệt độ và phải trực tiếp tiếp xúc với nhau.
Trong buồng lạnh, quá trình dẫn nhiệt sẽ xảy ra khi dòng nito lỏng tiếp xúc trực tiếp với thành ống đồng. Khi đó, nito lỏng sẽ đóng vai trò là chất thu nhiệt, lớp đồng đóng vai trò là chất tỏa nhiệt. Giữa lớp đồng và không khí trong buồng thì lớp đồng sẽ lại là chất thu nhiệt và không khí là chất tỏa nhiệt.
15 Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong vật rắn, chất lỏng, chất khí. Nhưng trong vật rắn chỉ xảy ra quá trình dẫn nhiệt thuần túy, còn trong chất lỏng và chất khí có thể xảy ra cả quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu hay bức xạ.
Dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là Q (W).
Mật độ dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian. Mật độ dòng nhiệt kí hiệu là q (W/𝑚2). Trong đó mặt đẳng nhiệt là bề mặt mà chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm.
Phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp:
𝑄 = 𝑘. 𝐴. 𝜏. 𝛥𝑡 PT 1.1 [13]
Đại lượng K gọi là hệ số truyền nhiệt. Khi A = 1𝑚2, 𝜏 = 1𝑠, 𝛥𝑡 = 1𝑜 thì Q=K và thứ nguyên của K là: [𝐾] = [𝑊/𝑚2. độ].
Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1 đơn vị bề mặt tường phân cách là 1𝑚2 khi hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 1 độ.
Hệ số dẫn nhiệt λ là lượng nhiệt tính bằng J truyền đi trong 1s từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1 đơn vị chiều dài của tường ống và khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là 1 độ đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể, đơn vị (𝑊/𝑚.𝑜𝐾). Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất các chất: 𝜆𝑟ắ𝑛 > 𝜆𝑙ỏ𝑛𝑔 > 𝜆𝑘ℎí. Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào nhiệt. Thông thường sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ có thể lấy theo quan hệ sau:
𝜆 = 𝜆0(1 + 𝑏𝑡) PT 1.2 [13]
Trong đó:
- 𝜆0 là hệ số dẫn nhiệt ở 0𝑜𝐶;
- 𝑏 được xác định bằng thực nghiệm, b có thể âm hoặc dương.
Hệ số dẫn nhiệt của kim loại nguyên chất giảm khi nhiệt độ tăng. Đối với các chất các chất cách nhiệt , thông thường hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Hầu hết chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số dẫn nhiệt của chất khí tăng khi nhiệt độ tăng. Đối với một số vật liệu xây dựng, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm. Các chất có hệ số dẫn nhiệt 𝜆 ≤ 0.2 (𝑊/𝑚.𝑜𝐾) có thể làm các chất cách nhiệt. Đây là một yếu tố quan trọng để lựa chọn vật liệu cho buồng lạnh cũng như phần cách nhiệt cho buồng lạnh. Một vật liệu có hệ số 𝜆 càng nhỏ cách nhiệt càng tốt.
Nhiệt lượng truyền qua phương thức dẫn nhiệt từ bề mặt nóng sang bề mặt lạnh của một vật liệu được tính theo công thức Fourier:
𝑄 = 𝜆. 𝐴. (𝑇ℎ𝑜𝑡 − 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑).𝑡
𝑑 PT 1.3 [13]
16 Trong đó:
- 𝜆 là hệ số dẫn nhiệt - 𝐴 là diện tích bề mặt
- 𝑇ℎ𝑜𝑡 là nhiệt độ bề mặt nóng - 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑 là nhiệt độ bề mặt lạnh - 𝑡 là thời gian dẫn nhiệt
- d là khoảng cách giữa hai bề mặt 1.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ vào sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau. Vì trong khối chất lỏng hay chất khí luôn tồn tại những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hay chất khí. Trong thực tế, ta hay gặp quá trình trao đổi chất giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động. [13]
Một số yếu tố có thể ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu:
- Nguyên nhân gây ra chuyển động;
- Chế độ chuyển động;
- Tính chất vật lý của chất lỏng/chất khí;
- Hình dạng, kính thước bề mặt trao đổi nhiệt.
Trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Để xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lỏng hay chất khí người ta dùng công thức Newton. Công thức Newton có hai dạng:
𝑞 = 𝛼. (𝑡𝑤− 𝑡𝑓) PT 1.4 [13]
𝑄 = 𝑞. 𝐴 = 𝛼. 𝐴. (𝑡𝑤− 𝑡𝑓) PT 1.5 [13]
Trong đó:
- q là mật độ dòng nhiệt (W/𝑚2) - Q là dòng nhiệt (W)
- 𝑡𝑤 là nhiệt độ bề mặt vách
- 𝑡𝑓là nhiệt độ của chất lỏng ở xa bề mặt vách - 𝐴 là diện tích bề mặt
- 𝛼 là hệ số tỏa nhiệt
Hệ số tỏa nhiệt đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu. 𝛼 chính là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vách và chất lỏng (hay chất khí) là 1 độ. Hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
17 1.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ.
Mọi vật đều có nhiệt độ khác không độ tuyệt đối, do kết quả của quá trình dao động điện từ của các phân tử và nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng. Quá trình phát sinh và truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt. Các tia nhiệt truyền đi trong không gian khi đập vào các vật khác chúng bị hấp thụ một phần hay toàn bộ để lại biến thành năng lượng nhiệt. Như vậy quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biến năng lượng: nhiệt năng (nội năng) biến thành năng lượng bức xạ và năng lượng bức xạ lại biến thành nhiệt năng. [13]
Một vật không chỉ có khả năng phát đi năng lượng bức xạ mà còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, trị số năng lượng bức xạ bằng trị số năng lượng hấp thụ, ta nói các vật ở trạng thái cân bằng.
Khác với hai dạng trên, cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của các vật. Đối với môi trường trong buồng lạnh, sẽ không xét tới hiện tượng trao đổi nhiệt bức xạ này.