KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH Trờng đại học vinh Khoa vật lý === === nguyễn văn dũng nghiên cứu khả tăng cờng truyền nhiệt cách nhiệt thiết bị làm lạnh khóa luận tốt nghiệp đại học Vinh, 2010 SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH LI M U Ngy nay, cựng vi s cụng nghip húa - hin i húa t nc, cỏc thit b nhit ngy cng i sõu vo tt c cỏc ngnh kinh t v úng vai trũ quan trng cỏc ngnh y t, bo qun v ch bin thc phm, Vic ci tin nõng cao hiu sut nhit, tit kim nng lng, bo v mụi trng, h giỏ thnh sn phm ang t cp thit vi chỳng ta Cỏc thit b trao i nhit cỏc mỏy b nhit úng vai trũ quan trng, khụng nhng nú chim t l ln v lng, th tớch, giỏ thnh so vi ton b thit b nhit m cũn l b phn quyt nh hiu sut ca c thit b Khi giai quyờt cac võn thc tờ vờ truyờn nhiờt , mụt sụ trng hp cõn tng cng truyờn nhiờt va mụt sụ trng hp lai phi lam thờ nao giam s truyờn nhiờt Tỡm hiu v truyn nhit, tng cng truyn nhit, cỏch nhit, tớnh toỏn quỏ trỡnh b trao i nhit nú c bit quan trng cho vic thit k v ch to cỏc thit b trao i nhit, vỡ vy chỳng tụi ó la chn ti Nghiờn cu kh nng tng cng truyn nhit v cỏch nhit thit b lm lnh B cc ca khúa lun: M u Ni dung: Gm cỏc chng: Chng 1: Tng quan v truyn nhit Trong chng ny ó gii thiu kin thc chung nht v truyn nhit Chng 2: Phng trỡnh vi phõn v dn nhit ca vt rn v iu in n tr Chng ny chỳng tụi gii thiu v nhng khỏi nim c bn v dn nhit, cỏc phng trỡnh v dn nhit v cỏc iu kin n tr xột bi toỏn v dn nhit SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH Chng 3: Cỏch nhit v tng cng truyn nhit chng ny, chỳng tụi gii thiu mt s bin phỏp tng cng truyn nhit v cỏch nhit, ú i sõu vo tỡm hiu thit b trao i nhit loi cú cỏnh vỡ nú c s dng ph bin nht hn Chng 4: Tớnh toỏn thit b trao i nhit loi cú cỏnh Trong chng ny, chỳng tụi tớnh toỏn ỏp dng thit k cỏc thit b thng gp nh: ng c t (loi lm mỏt bng khụng khớ), bỡnh ngng mỏy lnh, thit b sy, iu hũa khụng khớ Kt lun v hng phỏt trin ca khúa lun Ti liu tham kho hon thnh c khúa lun ny, em xin chõn thnh cm n s tn tỡnh hng dn v úng gúp nhiu ý kin b ớch ca cỏc thy, cụ giỏo khoa Vt lý Bn thõn em ó rt c gng nhng hn ch v thi gian, kinh nghim nờn chc chn khúa lun khụng trỏnh nhng sai sút, em rt mong c s gúp ý ca cỏc thy cụ giỏo v bn c ti hon thin hn Vinh, thỏng nm 2010 Sinh viờn Nguyn Vn Dng SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH CHNG TNG QUAN V TRUYN NHIT Khoa hc truyn nhit nghiờn cu quỏ trỡnh truyn nhit nng xy gia cỏc vt cú nhit khỏc Truyn nhit khụng ch tỡm cỏch gii thớch nhng nguyờn nhõn xy quỏ trỡnh ny m cũn d oỏn mc trao i nhit ng vi cỏc iu kin y Nng lng c truyn di dng dũng nhit khụng th o lng trc tip nhng cú th xỏc nh c dũng nhit thụng qua i lng vt lý cú th o c l nhit Dũng nhit luụn truyn t vựng cú nhit cao sang vựng cú nhit thp hn nờn cú th tỡm nú thụng qua s chờnh lch nhit h Do vy vic nghiờn cu v s phõn b nhit h l yu t ht sc quan trng truyn nhit Khi ó bit s phõn b nhit thỡ iu quan tõm thc t chớnh l giỏ tr ca dũng nhit (nú l nng lng truyn qua mt n v din tớch mt n v thi gian) Cỏc bi toỏn v xỏc nh dũng nhit v s phõn b nhit l nhng chớnh ca nhiu ngnh khoa hc k thut, thit k cỏc thit b trao i nhit nh lũ hi, bỡnh ngng, lũ si S phõn tớch, tớnh toỏn quỏ trỡnh trao i nhit nhm xỏc nh kớch thc v kt cu ca thit b, vớ d: thit k phn lừi ca lũ phn ng ht nhõn phi thụng qua vic phõn tớch quỏ trỡnh truyn nhit ca cỏc nhiờn liu l iu ch yu quyt nh kớch c ca Trong cỏc mỏy lnh, iu hũa nhit v si m s phõn tớch v truyn nhit l xỏc nh chiu dy ca lp cỏch nhit nhm chng tn tht nng lng Truyn nhit l mt quỏ trỡnh phc cú th xy ng thi bi ba dng trao i nhit c bn l: Trao i nhit bng dn nhit, trao i nhit i lu v trao i nhit bc x SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH 1.1 DN NHIT Dn nht l mt dng truyn nhit nng t vựng cú nhit cao sang vựng cú nhit thp s truyn ng nng hoc va chm ca cỏc phõn t hoc nguyờn t nh lut c bn v dn nhit u tiờn c Biot a da trờn nhng quan sỏt bng thc nghim Trờn c s cỏc kt qu thc nghim ú, nh toỏn lý Joseph Fourier ó xõy dng thnh lý thuyt truyn nhit v nh lut v trao i nhit nh lut ny phỏt biu: Mt dũng nhit truyn qua bng phng phỏp dn nhit theo phng quy nh t l thun vi din tớch vuụng gúc vi phng truyn v gradient nhit theo phng y Xột dũng nhit theo phng x, nh lut Fourier th hin nh sau: Q x = F qx = Hoc Trong ú T ,W x (1.1a) Qx T = , W / m2 F x (1.1b) Qx: Dũng nhit truyn qua din tớch F, J / s qx: Mt dũng nhit, W / m2 F : Din tớch b mt truyn nhit qua, m2 Do qui c chiu dng ca vect gradient nhit l chiu tng ca nhit , cũn vect mt dũng nhit cú hng t vt (vựng) cú nhit cao n nhit thp nờn cú du phng trỡnh trờn Thc nghim ó xỏc minh h s t l phng trỡnh (1.1) l mt thụng s vt lý c trng ca vt liu cho bit kh nng dn nhit ca vt gi l h s dn nhit H s dn nhit ca vt núi chung ph thuc vo ỏp sut, nhit , v c xỏc nh bng thc nghim Thụng thng cỏc thc nghim xỏc nh mt dũng nhit v gradient nhit thỡ h s dn nhit c xỏc nh bi cụng thc: SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP = TRNG I HC VINH q gradt , W / m. (1.2) T (1.2) ta thy h s dn nhit v tr s bng nhit lng truyn qua n v b mt ng nhit mt n v thi gian Thc nghim chng t rng hu ht cỏc vt liu, h s dn nhit ph thuc nhit theo quan h ng thng: = o (1 + bt) (1.3) o - h s dn nhit oC b - hng s nhit xỏc nh bng thc nghim 1.2 TRAO I NHIT I LU Khi cht lng (khớ) chuyn ng qua b mt vt rn cú s chờnh lch nhit , chng hn: b mt vt cú nhit t w v nhit cht lng tf, thỡ gia b mt vt v cht lng cú quỏ trỡnh trao i nhit c gi l quỏ trỡnh trao i nhit i lu (hoc ta nhit i lu) S truyn nhit xy trng hp ny thng kốm theo quỏ trỡnh trao i gia cỏc lp vt cht chỳng cú s chờnh lch nhit Nu s dch chuyn ca cht lng l do: bm, qut, mỏy nộn thỡ quỏ trỡnh truyn nhit ny c gi l quỏ trỡnh trao i nhit i lu cng bc Nu s chuyn ng ca cht lng c to nờn bi lc nõng, s chờnh lch lng riờng (m nguyờn nhõn gõy nờn s chờnh lch lng riờng ny l chờnh lch v nhit ) thỡ quỏ trỡnh c gi trao i nhit i lu t nhiờn Trong k thut, tớnh toỏn n gin quỏ trỡnh trao i nhit i lu ta thng dựng cụng thc: Q = F(tw tf) (1.4) Cụng thc ny cũn c gi l truyn nhit theo nh lut lm lnh ca Newton SV: Nguyn Vn Dng Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP Trong ú TRNG I HC VINH Q - dũng nhit, W - cng trao i nhit i lu, W / m2. F - in tớch b mt trao i nhit, m2 tw - nhit b mt vt rn: K hoc oC tf - nhit trung bỡnh ca cht lng 1.3 TRAO I NHIT BC X Khi hai vt cú nhit khỏc t cỏch xa mụi trng chõn khụng thỡ s truyn nhit bng dn nhit v trao i nhit i lu khụng tn ti Trong trng hp truyn nhit gia cỏc vt xy l nh trao i nhit bc x Cỏc vt luụn phỏt nng lng bc x truyn i khụng gian di dng nhng photon ri rc theo lý thuyt Planck S bc x v hp th nng lng bc x ca vt l s xp chng vỡ ngun gc bc x l bờn vt v c phỏt thụng qua b mt vt, ngc li bc x ti gn b mt vt t mụi trng xung quanh s xõm nhp sõu vo vt v b yu dn Nng lng bc x phỏt ca vt t l vi nhit tuyt i ly tha bc 4, vớ d vt en vi din tớch b mt F nhit b mt T c t mt h b mt khộp kớn nhit T2, vt en s phỏt nng lng bc x tng cng l FT14 v hp th nng lng bc x tng cng FT24, vy nng lng trao i nhit ca b mt s l; Q = F(T14 T24) (1.5) õy = 5,6697.10-8 W/m2.K4 l hng s Stefan-Boltzman Nu hai vt khụng hon ton en v b mt khụng b khộp kớn vi thỡ nng lng trao i gia hai vt s l: Q = 12F(T14 T24) SV: Nguyn Vn Dng (1.6) Lp 47A - Vt lý KHểA LUN TT NGHIP TRNG I HC VINH õy 12 gi l h s gúc (h s chiu x), nú l h s mang tớnh hỡnh hc thun tỳy ph thuc vo s b trớ hỡnh hc ca hai b mt trao i nhit c xột (12 < 1) Khi chờnh lch gia nhit T1 v T2 tng i nh so vi tr s T thỡ phng trỡnh (1.6) cú th vit di dng: Q = 12F(T1 T2) (T1 + T2) (T12 + T22) = 12FT13(T1 T2) Hoc q= t Q = (12T13 ) ( T1 T2 ) F (1.7) bx = 124T31 (1.8) Nú c gi l h s trao i nhit bc x, phng trỡnh (1.7) cú th vit li di dng: q = bx ( T1 T2 ) (1.9) Phng trỡnh ny v hỡnh thc ging nh phng trỡnh (1.4) ó cp phn trao i nhit i lu nhng ch ỏp dng vi iu kin: T1 T2 [...]... ĐỔI NHIỆT Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dạng là tính toán thiết kế thiết bị mới và tính toán kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị sẵn có Mục đích của tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt là căn cứ theo nhiệm vụ sản xuất, xác định được các điều kiện và yêu cầu trao đổi nhiệt từ đây lựa chọn dạng thiết bị, tính toán diện tích truyền nhiệt và các thông số cần thiết của kết cấu thiết bị. .. khi chiều dày cách nhiệt tăng thì - Nhiệt trở dẫn nhiệt tăng → dòng nhiệt có xu hướng giảm - Nhiệt trở do đối lưu giảm → dòng nhiệt có xu hướng tăng Có một giới hạn về chiều dày lớp cách nhiệt biểu diễn như đồ thị sau: Ở đây có bán kính giới hạn rth = γ CN α (3.5) Nhận xét: khi bán kính của lớp cách nhiệt nhỏ hơn r th thì việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt làm tăng tổn thất nhiệt việc cách nhiệt chỉ có... nhiệt, m 3.2 TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT Dòng nhiệt đối lưu: nhiệt lượng truyền từ bề mặt có nhiệt độ t w đến môi trường lưu chất xung quanh có nhiệt độ t f được xác định bởi phương trình theo định luật Newton: Qα = α.F(tw – tf) (3.8) Để tăng cường Qα trong trường hợp không thể tăng α và ∆t = (tw – tf) chỉ còn lại biện pháp là tăng diện tích truyền nhiệt bằng cách gắn thêm các cánh trên bề mặt tỏa nhiệt Trường... dòng nhiệt bên ngoài vào hệ thống, như: đường ống dẫn hơi, dẫn nước nóng, các kho lạnh, các đường ống dẫn nước lạnh Nhiệm vụ là chọn bề dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt ở mức độ hợp lý Khi hệ thống có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường, thì ta phải cách nhiệt để cản trở sự xâm nhập của dòng nhiệt bên ngoài vào hệ thống Trong trường hợp này ngoài nhiệm vụ cách nhiệt, thì chiều dày lớp cách nhiệt. .. CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC CHẤT LỎNG Thông thường quá trình trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị phải chọn tốc độ dòng chảy hợp lý để chế độ chảy là ở dạng chảy rối (vì cường độ tỏa nhiệt α lớn thì diện tích truyền nhiệt giảm), nhưng đồng thời cũng xảy ra mâu thuẫn là nếu tốc... núc ống) Tính toán thiết bị nhiệt trước tiên càn tính cường độ tỏa nhiệt của chất lỏng, dự kiến các nhiệt trở phụ trong quá trình vận hành (cáu, cặn, dầu…) để tính được hệ số truyền nhiệt k, tính độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆t của 2 dòng chất lỏng, từ nhiệt lượng yêu cầu của thiết bị Q đã biết xác định được diện tích truyền nhiệt của thiết bị: F= Q k ∆t Với diện tích truyền nhiệt F đã có, cần... không bị đọng sương trên bề mặt cách nhiệt SV: Nguyễn Văn Dũng 20 Lớp 47A - Vật lý KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH b Xác định chiều dày lớp cách nhiệt Vật liệu cách nhiệt là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Vật liệu và chiều dày lớp cách nhiệt được lựa chọn trên cơ sở tối ưu về kinh tế Cơ sở ban đầu để xác định chiều dày cách nhiệt là dựa vào hệ số truyền nhiệt tối ưu được đề nghị ở từng... VINH thiết bị trao đổi nhiệt là xác định các trở lực này, trên cơ sở đó tính toán công suất của quạt hoặc bơm cũng như thiết lập chế độ làm việc tối ưu cho thiết bị Tổn thất trong thiết bị trao đổi nhiệt được tính như sau: ∆pΣ = ∆pm + ∆pc + ∆pg + ∆po Trong đó ∆pm - trở kháng ma sát ∆pc - trở kháng cục bộ ∆pg - trở kháng gia tốc ∆po - trở kháng trọng trường 4.4.1 Trở kháng ma sát ∆pm Chất tải nhiệt là... Đối với các thiết bị có sẵn thì mục đích của tính toán kiểm tra là xem nó có thỏa mãn được các yêu cầu về trao đổi nhiệt cần thiết hay không, thông thường là phải xác định được năng suất nhiệt Q của các thiết bị và nhiệt độ ra của các chất lỏng khi biết thông số vào Dù rằng tính toán thiết kế hoặc kiểm tra thì khi tính toán hệ số truyền nhiệt cần phải khảo sát đầy dủ các loại nhiệt trở, trong quá trình... gian d τ do dẫn nhiệt và nguồn nhiệt bên trong phát ra bằng sự biến thiên nội năng trong phần tử ấy”: dQ1 + dQ2 = dQ (2.19) Ở đây: dQ1 - Nhiệt lượng đưa vào phần tử thể tích bằng dẫn nhiệt sau khoảng thời gian dτ dQ2 - Nhiệt lượng tỏa ra trong phần tử thể tích sau khoảng thời gian dτ do nguồn nhiệt bên trong dQ - Độ biến thiên nội năng trong phần tử thể tích sau khoảng thời gian dτ * Thiết lập được ... Nghiên cứu khả tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt thiết bị làm lạnh , khóa luận nghiên cứu đạt số kết sau: • Nghiên cứu tổng quan truyền nhiệt ba dạng trao đổi nhiệt là: trao đổi nhiệt dẫn nhiệt, ... hiểu truyền nhiệt, tăng cường truyền nhiệt, cách nhiệt, tính toán trình bị trao đổi nhiệt đặc biệt quan trọng cho việc thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, lựa chọn đề tài Nghiên cứu khả tăng. .. CHƯƠNG CÁCH NHIỆT VÀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT 3.1 CÁCH NHIỆT 3.1.1 Các vấn đề chung a Phạm vi cách nhiệt Cách nhiệt để cản trở dòng nhiệt từ hệ thống môi trường bên để cản trở xâm nhập dòng nhiệt