Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ thuật nhiệt bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)
Bài giảng Kỹ thuật nhiệt TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ ******* ThS.TRƯƠNG QUANG DŨNG B - ThS ĐÀO MINH ĐỨC BÀI GIẢNG KỸ THUẬT NHIỆT (Dùng cho bậc ĐH) Quảng Ngãi, 4/2016 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật nhiệt môn học sở ngành sinh viên ngành khí Đây học phần nghiên cứu nhiệt động học sở truyền nhiệt, dựa sở kiến thức giúp sinh viên vận dụng tính toán, thiết kế thông số hệ nhiệt động truyền nhiệt Bài giảng Kỹ thuật nhiệt biên soạn gồm chương, nội dung trình bày gồm hai phần chính: Phần 1: “ Nhiệt động kỹ thuật”, nghiên cứu quy luật chuyển hóa lượng nhiệt công Phần 2: “ Cơ sở truyền nhiệt”, nghiên cứu quy luật truyền nhiệt vật vật có nhiệt độ khác Chúng hy vọng với Bài giảng phần tạo điều kiện cho sinh viên ngành Cơ khí Trường Đại học Phạm Văn Đồng có thêm tài liệu học tập nghiên cứu học phần Kỹ thuật nhiệt Đây lần biên soạn đầu tiên, chắn tài liệu không tránh khỏi có sai sót Mọi góp ý xin gửi địa email sau: dmd2482004@yahoo.com Chúng xin chân thành cảm ơn! Tháng 4-2016 Nhóm biên soạn Bài giảng Kỹ thuật nhiệt MỤC LỤC MỤC LỤC Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT 1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều 1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều 1.1.3 Môi chất 10 1.1.4 Hệ nhiệt động 10 SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT 10 1.2.1 Các trình .10 1.2.2 Các trạng thái 11 1.3 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI 11 1.3.1.Thể tích riêng .11 1.3.2 Áp suất (chất lỏng chất khí) 11 1.3.3 Nhiệt độ .12 1.3.4 Nội 12 1.3.5 Năng lượng đẩy 12 1.3.6 Entanpi 13 1.3.7 Entropi .13 1.3.8 Execgi 13 1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT 13 1.4.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 14 1.4.2 Phương trình trạng thái khí thực 14 Chương 2: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT CƠ BẢN CỦA MÔI CHẤT Ở PHA KHÍ 16 2.1 NHIỆT, CÔNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 16 2.1.1 Nhiệt 16 2.1.1.1 Khái niệm .16 2.1.1.2 Cách tính nhiệt 16 2.1.1.3 Nhiệt dung riêng 17 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 2.1 Công 19 2.1.2.1 Khái niệm .19 2.1.2.2 Phân loại công 19 2.2 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT .20 2.2.1 Phát biểu định luật nhiệt động I 20 2.2.2 Các dạng biểu thức định luật nhiệt động I 21 2.3 CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 21 2.3.1 Khái niệm 21 2.3.1.1 Cơ sở lí thuyết để khảo sát trình nhiệt động 22 2.3.1.2 Nội dung khảo sát .22 2.3.2 Các trình có thông số bất biến .23 2.3.2.1 Quá trình đa biến 23 2.3.2.2 Quá trình đẳng tích .25 2.3.2.3 Quá trình đẳng áp 26 2.3.2.4 Quá trình đẳng nhiệt .27 2.3.2.5 Quá trình đoạn nhiệt .28 Chương 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH KHÁC CỦA KHÍ VÀ HƠI 32 3.1 QUÁ TRÌNH LƯU ĐỘNG 32 3.1.1 Các điều kiện khảo sát 32 3.1.2 Các qui luật chung trình lưu động 32 3.1.2.1 Tốc độ âm 32 3.1.2.2 Quan hệ tốc độ áp suất dòng .33 3.1.2.3 Quan hệ tốc độ hình dáng ống .33 3.2 QUÁ TRÌNH TIẾT LƯU 34 3.2.1 Định nghĩa 35 3.2.2 Tính chất trình tiết lưu 35 3.3 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CỦA KHÔNG KHÍ ẨM .36 3.3.1 Không khí ẩm 36 3.3.1.1 Định nghĩa tính chất không khí ẩm 36 3.3.1.2 Phân loại không khí ẩm 36 3.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng cho không khí ẩm 37 3.3.1.4 Đồ thị i-d 39 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 3.3.2 Các trình không khí ẩm 40 3.3.2.1.Quá trình sấy 40 3.3.2.2 Quá trình điều hòa không khí .40 3.4 QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN KHÍ 41 3.4.1 Các loại máy nén .41 3.4.2 Máy nén piston cấp 41 3.4.2.1 Những trình máy nén piston cấp lí tưởng .41 3.4.2.2 Công tiêu thụ máy nén cấp lí tưởng 42 3.4.3 Máy nén nhiều cấp 42 3.4.3.1 Quá trình nén máy nén nhiều cấp .42 3.4.3.2 Chọn áp suất trung gian 43 Chương 4: ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ II VÀ CHU TRÌNH CARNOT.45 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG .45 4.1.1 Chu trình thuận nghịch không thuận nghịch 45 4.1.2 Chu trình thuận chiều 46 4.1.3 Chu trình ngược chiều .46 4.2 CHU TRÌNH CARNOT THUẬN NGHỊCH 47 4.2.1 Chu trình Carnot thuận chiều 47 4.2.2 Chu trình Carnot ngược chiều 48 4.2.3 Một vài cách phát biểu định luật nhiệt động II 49 4.3 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 50 4.3.1 Chu trình động đốt 50 4.3.1.1 Khái niệm .50 4.3.1.2 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 51 4.3.1.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích .53 4.3.1.4 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 54 4.3.2 Chu trình tuốc bin khí 55 4.3.2.1 Sơ đồ thiết bị nguyên lý hoạt động tuốc bin khí .55 4.3.2.2 Chu trình tuốc bin khí cấp nhiệt đẳng áp .56 Chương 5: DẪN NHIỆT .59 5.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 59 5.1.1 Dẫn nhiệt .59 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 5.1.2 Trường nhiệt độ 59 5.1.3 Mặt đẳng nhiệt 60 5.1.4 Gradient nhiệt độ: 60 5.1.5 Dòng nhiệt mật độ dòng nhiệt 61 5.1.6 Định luật Fourier dẫn nhiệt 61 5.1.7 Hệ số dẫn nhiệt 61 5.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT .62 5.2.1 Phương trình vi phân dẫn nhiệt 62 5.2.2 Điều kiện đơn trị 63 5.3 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU VÀ KHÔNG CÓ DÒNG NHIỆT BÊN TRONG 64 5.3.1 Dẫn nhiệt vách phẳng 64 5.3.1.1 Vách lớp, biên loại 64 5.3.1.2 Vách n lớp, biên loại 64 5.3.2 Dẫn nhiệt vách trụ 65 5.3.2.1 Trụ lớp, biên loại 65 5.3.2.2 Trụ n lớp biên loại 66 5.5 DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH 67 5.5.1 Định nghĩa 67 5.5.2 Dẫn nhiệt không ổn định, nguồn 67 5.5.3 Dẫn nhiệt không ổn định, nguồn phẳng .68 Chương 6: CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT .70 6.1 TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 70 6.1.1 Khái niệm chung trao đổi nhiệt đối lưu 70 6.1.1.1 Định nghĩa phân loại 70 6.1.1.2 Công thức tính nhiệt 70 6.1.1.3 Hệ số tỏa nhiệt α 70 6.1.1.4 Các thông số ảnh hưởng tới hệ số tỏa nhiệt α 71 6.1.2 Phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt .72 6.1.2.1 Phương pháp phân tích thứ nguyên 72 6.1.2.2 Dạng tổng quát phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 72 6.1.2.3 Các dạng đặc biệt phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 74 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 6.1.3 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên 74 6.1.3.1 Khái niệm .74 6.1.3.2 Đối lưu tự nhiên không gian vô hạn 74 6.1.3.3 Đối lưu tự nhiên không gian hữu hạn 75 6.1.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng 77 6.1.4.1.Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy tầng ống 77 6.1.4.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chảy rối ống 77 6.2 TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ 77 6.2.1 Các khái niệm 77 6.2.2 Các đại lượng đặc trưng cho xạ 78 6.2.2.1 Công suất xạ toàn phần Q 78 6.2.2.2 Cường độ xạ toàn phần E 79 6.2.2.3 Cường độ xạ đơn sắc .79 6.2.3 Các hệ số A, D,R ε 79 6.2.3.1 Các hệ số hấp thụ A, phản xạ R xuyên qua D 79 6.2.3.2 Vật xám hệ số xạ hay độ đen ε 80 6.2.3.3 Bức xạ hiệu dụng xạ hiệu 80 6.2.4 Các định luật xạ 80 6.2.4.1 Định luật Planck 81 6.2.4.2 Định luật Wien .81 6.2.4.3 Định luật Stefan-Boltzmann .81 6.2.4.4 Định luật Kirchkoff 82 6.2.5 Tính trao đổi nhiệt xạ vật môi trường suốt 82 6.2.5.1 Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (không chắn) 82 6.2.5.2 Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (có chắn) 83 6.2.6 Bức xạ chất khí .83 6.2.6.1 Đặc điểm xạ chất khí 83 6.2.6.2 Năng suất xạ chất khí 84 6.2.7 Trao đổi nhiệt xạ khối khí với bề mặt bao quanh 84 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 6.2.8 Bức xạ mặt trời 85 Chương 7: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 87 7.1 TRUYỀN NHIỆT 87 7.1.1 Truyền nhiệt phương trình cân nhiệt ổn định nhiệt .87 7.1.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng 87 7.1.2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp 87 7.1.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp .89 7.1.3 Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 89 7.1.4 Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh .90 7.2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 91 7.2.1 Định nghĩa phân loại 91 7.2.2 Các phương trình để tính nhiệt cho thiết bị TĐN 92 7.2.2.1 Phương trình cân nhiệt .92 7.2.2.2 Phương trình truyền nhiệt 93 7.2.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn 94 7.2.4 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (song song) 94 7.2.5 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (Cắt nhau) 95 7.2.6 Tính nhiệt độ cuối chất tải nhiệt 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT 1.1.1 Máy nhiệt thuận chiều Là máy nhiệt có chức biến nhiệt thành điện có chung nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng chuyển thể biến phần nhiệt thành nhả nguồn nhiệt lại cho nguồn lạnh Hình 1.1: Động đốt Hình 1.2: Tua bin khí 1.1.2 Máy nhiệt ngược chiều Là máy nhiệt có chức biến điện thành nhiệt năng: Môi chất nhận công từ máy nén nhả nhiệt cho nguồn nóng chuyển thể nhận nhiệt từ nguồn lạnh Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Điều hoà không khí (làm lạnh, sưởi ấm), hút ẩm lĩnh vực: dân dụng, công nghiệp - Tủ sấy quần áo, máy sấy nông sản, thực phẩm - Kho lạnh, tủ lạnh bảo quản thực phẩm - Kho lưu trữ tài liệu (sách báo, phim ảnh…) 1.1.3 Môi chất - Chất trung gian thực trình biến đổi công nhiệt - Môi chất thường thể khí khả trao đổi công chất khí lớn (do thay đổi thể tích lớn) - Môi chất tự nhiên khí thực - Tính toán với khí thực phải dùng bảng đồ thị Trong số trường hợp (vd: không khí, hyđrô, ôxy áp suất thấp nhiệt độ bình thường), môi chất xem khí lý tưởng bỏ qua thể tích phân tử, nguyên tử lực tương tác chúng - Tính toán với khí lý tưởng dùng phương trình trạng thái công thức 1.1.4 Hệ nhiệt động - Tập hợp tất vật thể liên quan với mặt nhiệt tách để nghiên cứu gọi hệ nhiệt động, phần lại gọi môi trường - Gồm có loại: hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt hệ cô lập a) Hệ thống kín hở - Hệ thống kín: Là hệ thống mà môi chất không xuyên qua bề mặt ranh giới hệ thống môi trường - Hệ thống hở : Là hệ thống mà môi chất vào hệ thống b) Hệ cô lập hệ đoạn nhiệt - Hệ cô lập: hệ mà trao đổi lượng môi chất môi trường ( nhiệt với môi trường) - Hệ đoạn nhiệt: hệ có trao đổi nhiệt với môi trường SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI VÀ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT 1.2.1 Các trình a) Quá trình nóng chảy đông đặc - Nóng chảy trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng 10 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt ⎛ T ⎞ ⎫ 4 E1 = ε1C0 ⎜ ⎟ ⎪ ⎡ ⎡ ⎤ ⎝ 100 ⎠ ⎪ ⎢ q12 = ε qd C0 ⎢⎜⎛ T1 ⎟⎞ − ⎜⎛ T2 ⎟⎞ ⎥ 4⎪ ⎢ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ ⎛ T2 ⎞ ⎪ ⎢ E2 = ε 2C0 ⎜ ⎟ ⎬⇒ ⎝ 100 ⎠ ⎪ ⎢ ε qd = 1 ⎪ ⎢ ε=A + −1 ⎢ ⎪ ⎣ ε1 ε ⎪⎭ (6.41) 6.2.5.2 Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song (có chắn) Hình 6.7: Bức xạ mặt phẳng, rộng vô hạn, song song ( có chắn) - Giả thiết chắn có độ đen εm (n - số chắn) q12 = q1m = qm q12 = ⎡⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ ⎤ × C0 ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎛ ⎞ 1 ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ + − + n ⎜ − 1⎟ ε1 ε ⎝ εm ⎠ (6.42) - Nếu εm = ε1 = ε2 q12 m = q12 n +1 (6.43) 6.2.6 Bức xạ chất khí Các chất khí khác có khả hấp thụ xạ lượng khác Các khí nguyên tử có khả hấp thụ xạ thấp → thực tế coi không xạ Chỉ xét xạ khí nhiều nguyên tử 6.2.6.1 Đặc điểm xạ chất khí - Bức xạ có tính chất chọn lọc: xạ khoảng chiều dài bước sóng (vật rắn xạ toàn chiều dài bước sóng) - Bức xạ có đặc tính thể tích: xạ xảy toàn khối khí (vật rắn 83 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt xạ bề mặt) → xạ chất khí phụ thuộc vào mật độ khối khí (v p) chiều dài l mà tia xạ qua - Công thức thực nghiệm: ECO2 = 4, 07 ( pl ) EH 2O 0,33 ⎛ T ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎛ T ⎞ = 4, 07 p 0,8l 0,6 ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ 3,5 (6.44) - Coi chất khí tuân theo Stefan-Boltzmann ⎛ T ⎞ Ek = ε k C0 ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ Trong đó: (6.45) + εk = f(T,pl) xác định đồ thị + Nếu hỗn hợp: ε k = ε CO + βε H O (6.46) β hệ số hiệu chỉnh kể đến phụ thuộc εH2O vào phân áp suất H2O (xác định đồ thị) 6.2.6.2 Năng suất xạ chất khí Xác định εH2O εCO2 đồ thị ε CO = f (Tk , pCO , l ) 2 ε H O = f (Tk , pH O , l ) 2 Trong đó: - l : chiều dài quãng đường trung bình tia xạ: l = 3, V ; F [ m] (6.47) - V: thể tích khối khí [m3], F diện tích bề mặt bao quanh khối khí [m2] 6.2.7 Trao đổi nhiệt xạ khối khí với bề mặt bao quanh a) Gần tính (phương pháp 1): qk − w ⎡ ⎛ Tk ⎞ ⎤ ' ⎛ Tw ⎞ = ε whd C0 ⎢ε k ⎜ ⎟ − εk ⎜ ⎟ ⎥ ; ⎡⎣ W/m ⎤⎦ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎝ 100 ⎠ (6.48) Trong đó: - εwhd: độ đen hiệu dụng bề mặt vách 84 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt ε whd = εw +1 (6.49) - εk : độ đen khí tính với nhiệt độ Tk - ε’k: độ đên khí tính với nhiệt độ Tw b) Gần tính (phương pháp 2): qk − w ⎡⎛ Tk ⎞ ⎛ Tw ⎞ ⎤ = ε kwC0 ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ ; ⎡⎣ W/m ⎤⎦ ⎣⎢⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎦⎥ (6.50) Trong đó: - εkw : độ đen quy dẫn ε kw = εk + 1 εw (6.51) −1 6.2.8 Bức xạ mặt trời - Phát từ bề mặt mặt trời (có nhiệt độ 5762 0C) nên phần lớn lượng sóng ngắn (98% lượng có λ < μm) - Năng suất xạ mặt trời tới trái đất khí 1350 W/m2 - Khi qua lớp khí quyển, xạ mặt trời bị hấp thụ tán xạ ô-zôn, nước, bụi, CO2,… nên yếu - Hiệu ứng nhà kính: cho tia xạ mặt trời (sóng ngắn) qua lại ngăn tia xạ nhiệt độ thấp (sóng dài).Hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trung bình trái đất nên cần ngăn chặn - Hiệu ứng nhà kính vận dụng để thu lượng mặt trời (biến thành nhiệt năng) nên cần phát huy Ví dụ 6.1: Hai phẳng đặt song song, thứ có nhiệt độ t1=5270C, độ đen ε1=0,8, thứ có nhiệt độ t2=270C, độ đen ε2=0,6 Tính khả xạ tấm, độ đen qui dẫn lượng nhiệt trao đổi xạ phẳng Lời giải: Khả xạ thép: ⎛ T ⎞ ⎛ 800 ⎞ E1 = ε1.C0 ⎜ ⎟ = 0,8.5, 67 ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ E1 = 18579 ⎡⎣ W / m ⎤⎦ 85 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt ⎛ T ⎞ ⎛ 300 ⎞ E2 = ε C0 ⎜ ⎟ = 0, 6.5, 67 ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ E1 = 275 ⎡⎣ W / m ⎤⎦ Lượng nhiệt trao đổi xạ phẳng ứng với đơn vị diện tích: ⎡⎛ T1 ⎞ ⎛ T2 ⎞ ⎤ q12 = ε qd C0 ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ Với độ đen quy dẫn tính sau: ε qd = ε1 + 1 ε1 = −1 1 + −1 0,8 0, = 0,526 ⎡⎛ 800 ⎞ ⎛ 300 ⎞ ⎤ q12 = 0,526.5, 67 ⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ = 11975 ⎡⎣W / m ⎤⎦ ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦ BÀI TẬP CHƯƠNG Bài tập 6.1: Nước chảy ống đường kính 60mm, dài 10m với tốc độ 2m/s Nhiệt độ nước 400C Nhiệt độ thành ống 900C Xác định hệ số tỏa nhiệt dòng nhiệt Bài tập 6.2: Xác định đường kính d hệ số tỏa nhiệt α hâm nước nhiệt độ nước trước sau hâm 1600C 2400C, nhiệt độ vách ống tw=2100C Mật độ dòng nhiệt trung bình bề mặt ống q=4,2.104 W/m2, tốc độ trung bình nước chảy ống 0,5 m/s Bài tập 6.3: Một thép có nhiệt độ 7270C, độ đen ε=0,7 Tính khả xạ thép Nếu nhiệt độ giảm lần khả xạ giảm lần Bài tập 6.4: Xác định tổn thất xạ từ bề mặt ống thép có đường kính d=70mm, dài 3m, nhiệt độ bề mặt ống t1 =2270C hai trường hợp: a) Ống đặt phòng rộng có nhiệt độ tường bao bọc t2=270C b) Ống đặt phòng rộng có kích thước (0,3x0,3)m nhiệt độ vách cống t2=270C Biết độ đen ống thép ε1=0,95 vách cống ε2=0,3 86 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Chương 7: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 7.1 TRUYỀN NHIỆT 7.1.1 Truyền nhiệt phương trình cân nhiệt ổn định nhiệt Truyền nhiệt theo nghĩa hẹp tên gọi tựơng trao đổi nhiệt (TĐN) phức hợp chất lỏng có nhiệt độ khác nhau, thông qua bề mặt ngăn cách vật rắn Hiện tượng thường hay gặp thực tế thiết bị TĐN Hình 7.1: Các dạng truyền nhiệt Tuỳ theo đặc trưng pha hai chất lỏng, trình TĐN mặt W1, W2 vật rắn bao gồm phương thức đối lưu xạ, vách xảy dẫn nhiệt đơn mô tả hình (7.1) Khi vách ngăn ổn định nhiệt hệ phương trình mô tả lượng nhiệt Q truyền từ chất lỏng nóng (1) đến chất lỏng lạnh (2) có dạng: Q = Q1w1 = Qλ + Q2w2 (7.1) 7.1.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng 7.1.2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp Giả sử ta có vách phẳng hình vẽ (7.2), hệ số dẫn nhiệt λ, vách dày δ, phía bề mặt tiếp xúc với môi trường nóng có nhiệt độ tf1, hệ số tỏa nhiệt từ môi trường tới bề mặt vách α1 Một phía bề mặt tiếp xúc với môi trường có 87 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt nhiệt độ tf2, hệ số tỏa nhiệt α2 Nếu tf1>tf2, dòng nhiệt hướng từ Hình 7.2: Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp Gọi tw1 nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với môi trường nóng tw2 nhiệt độ bề mặt vách tiếp xúc với môi trường lạnh q = α1 ( t wf − tw1 ) q= λ (t − t ) δ w1 w q = α ( t w − ttf ) (7.2) Giải hệ phương trình ta được: ⎫ α1 ⎪ ⎪ δ ⎪ tw1 − t w = q ⎬ λ ⎪ 1⎪ tw − t f = q ⎪ α2 ⎭ t f − tw1 = q (7.3) Cộng vế phương trình lại ta có: t f − t f = q( q= α1 tf1 −tf α1 + + δ + λ α2 Ký hiệu : k = δ + ) λ α2 (7.4) ; ⎡⎣W / m ⎤⎦ δ + + α1 λ α gọi hệ số truyền nhiệt; [W/m2.K] Khi đó: q = k (t f − t f ); ⎡⎣W / m ⎤⎦ (7.5) 88 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Đại lượng nghịch đảo hệ số truyền nhiệt gọi nhiệt trở truyền nhiệt: R= 1 δ = + + ; ⎡⎣ m K / W ⎤⎦ k α1 λ α α1 : nhiệt trở tỏa nhiệt từ môi trường nóng đến bề mặt vách δ : nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách λ α2 : nhiệt trở tỏa nhiệt vách môi trường 7.1.2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Giả sử ta có vách phẳng hình vẽ (7.3) Hình 7.3: Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Ta có: R= k= α1 n +∑ 1 = R δ + λ α2 ⎡⎣ m K / W ⎤⎦ ⎡⎣ W/m K ⎤⎦ δ +∑ + α1 λ α n q = k (t f − t f ) = (t f1 −tf 2) δ +∑ + α1 λ α n (7.6) ⎡⎣ W/m ⎤⎦ 7.1.3 Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp Giả sử có vách trụ nhiều lớp hình vẽ (7.4) Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm vách là: λ1 ; λ2 ; λ3 ; bề mặt vách tiếp xúc với môi trường có thông số tf1, α1 Bề mặt vách tiếp xúc với môi trường có thông 89 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt số tf2 , α2 Nếu tf1>tf2 dòng nhiệt hướng từ Gọi tw1, tw2, tw3, tw4 nhiệt độ tiếp xúc lớp vách Hình 7.4: Truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp Vậy mật độ dòng nhiệt tương ứng với đơn vị chiều dài vách trụ bằng: Rl = kl = n α1π d1 Rl +∑ 1 2πλi ln di +1 ; [ mK / W ] + di α 2π d [ W/mK ] (7.7) ql = kl ( t f − t f ) = (t n α1π d1 +∑ f1 −tf ) 2πλi ln di +1 + di α 2π d ; [ W/m ] 7.1.4 Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh Tính lượng nhiệt truyền từ chất lỏng nóng có nhiệt độ tf1 đến chất lỏng lạnh có nhiệt độ tf2 thông qua vách phẳng dày δ, có mặt F1 = hl phẳng, mặt F2 gồm n cánh có thông số hình học (h1, h2, l)., với hệ số tỏa nhiệt phức hợp F1, F2 α1, α2 cho trước Hình 7.5: Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh 90 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Rc = δ ; + + α1 F1 λ F1 α F2 kc = ; Rc [ W/K ] Q = kc ( t f − t f ) ; Q= q1 = [ K / W] (t f1 −tf 2) [ W] 1 δ + + α1 F1 λ F1 α F2 ; (7.8) [ W] ( t f − t f ) ; ⎡ W/m2 ⎤ Q = ⎣ ⎦ F1 + δ + F1 α1 λ F2 α 7.2 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 7.2.1 Định nghĩa phân loại a) Định nghĩa: thiết bị thực trao đổi nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác b)Phân loại: - Kiểu vách ngăn: hoạt động liên tục, ổn định - Kiểu hồi nhiệt: hoạt động theo chu kỳ, không ổn định - Kiểu ống nhiệt: trọng trường, mao dẫn, ly tâm - Kiểu hỗn hợp: trao đổi nhiệt + trao đổi chất - Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn: chất lỏng nóng (CL1) bị ngăn cách hoàn toàn với chất lỏng lạnh (CL2) bề mặt vách ống vật rắn trình TĐN (CL1) với (CL2) thực theo kiểu truyền nhiệt - Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt: vách TĐN quay để tiếp xúc với CL1 CL2 cách tuần hoàn, khiến cho trình TĐN chế độ không ổn định, nhiệt độ vách dao động tuần hoàn theo chu kỳ quay - Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp: chất lỏng nóng tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng lạnh, khiến cho trình trao đổi chất xảy đồng thời với trình TĐN hai chất - Việc cách li hoàn toàn chất cần gia công với chất tải nhiệt yêu cầu phổ biến nhiều trình công nghệ, thiết bị TĐN loại vách ngăn sử dụng rộng rãi sản xuất 91 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt 7.2.2 Các phương trình để tính nhiệt cho thiết bị TĐN Hình 7.6: Các thông số thiết bị trao đổi nhiệt Tính nhiệt cho thiết bị TĐN phép tính xác định thông số cần thiết thiết bị TĐN để thực trình TĐN chất lỏng mà công nghệ yêu cầu Người ta thường qui ước dùng số chất lỏng nóng chất lỏng lạnh, dấu (‘) (“) để thông số vào khỏi thiết bị TĐN Việc tính nhiệt cho thiết bị TĐN dựa vào phương trình sau 7.2.2.1 Phương trình cân nhiệt a) Phương trình cân nhiệt tổng quát: Phương trình bảo toàn lượng hay phương trình cân nhiệt tổng quát cho TBTĐN có dạng: ΣQ = (ΔI1 + ΔI2 +Qm)τ + ΔU = 0; [J] (7.9) Trong đó: - ΔI1 = G1 (i1” – i1’) < 0; [W] biến thiên entanpi chất lỏng nóng - ΔI2 = G2 (i2” – i2’) > 0; [W] biến thiên entanpi chất lỏng lạnh - Qm = Σki ( ti – tf)Fi ; [W] tổng tổn thất nhiệt môi trường có nhiệt độ tf qua mặt Fi vỏ thiết bị TĐN - ΔU = ΣρiViCi(tiτ - t0); [J] tổng biến thiên nội kết cấu thiết bị TĐN từ lúc đầu có nhiệt độ t0 đến lúc có nhiệt độ tiτ 92 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Trong thiết bị gia nhiệt Qm > ΔU > 0, thiết bị làm lạnh Qm < ΔU < Nếu tính theo khối lượng riêng ρ[kg/m3], vận tốc v[m/s] tiết diện dòng chảy f[m2] biểu thức lưu lượng G [kg/s] có dạng: G = ρωf (7.10) Phương trình cân nhiệt tổng quát, liên hệ thông số nêu có dạng: ΣρiViCi(tiτ - t0) + τ[(ρ1ω1f1(i1”–i1’) + ρ2ω2f2(i2”–i2’) + Σki( ti –tf)Fi] = (7.11) b) Phương trình cân nhiệt ổn định: Trên thực tế, người ta thường tính nhiệt cho TBTĐN làm việc ổn định, với ΔU = Về lý thuyết , giả thiết Qm = phương trình CBN có dạng: ΔI1 = ΔI2 , hay G1 (i1” – i1’) = G2 (i2” – i2’); [W] (7.12) - Nếu chất lỏng không chuyển pha phương trình CBN có dạng: G1 Cp1(t1’ – t1”) = G2 Cp2 (t2” – t2’); [W] (7.13) - Nếu gọi GCp = ρωfCp =C nhiệt dung (hay đương lượng nuớc) dòng chất lỏng phương trình có dạng: C1(t1’ – t1”) = C2(t2” – t2’) hay C1δt1 = C2δt2; [W] (7.14) - Ở dạng vi phân, phân tố diện tích dF mặt TĐN, phương trình CBN có dạng: C1dt1 = C2dt2; [W] (7.15) - Nếu chất lỏng nhiệt có Cp11 , t1’ vào thiết bị TĐN, làm nguội đến nhiệt độ ngưng tụ ts, ngưng tụ hoàn toàn tỏa lượng nhiệt r thành nước ngưng có nhiệt dung riêng Cp12 giảm nhiệt độ đến t2” > ts có nhiệt dung riêng Cp22 phương trình CBN có dạng: G1Cp1(t1’ – t1”) = G2 [Cp21 (ts – t2’) + r + Cp21 (t2” – ts) ]; [W] (7.16) Đây phương trình CBN cho lò hay tuốc bin 7.2.2.2 Phương trình truyền nhiệt a) Dạng vi phân: Lượng nhiệt δQ truyền từ chất lỏng nóng t1 đến chất lỏng lạnh t2 qua phân tố diện tích dFx mặt vách có dạng: δQ = k (t1 – t2) dFx = k ΔtxdFx ; [W] (7.17) Trong đó: - k = f(α1, α2, λ, δ), (W/m2K), hệ số truyền nhiệt qua vách , thường coi không đổi toàn mặt F 93 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Δtx = (t1 - t2) độ chênh nhiệt độ chất lỏng bên mặt dFx phụ thuộc vào vị trí dFx , tức Δtx = f(Fx) b) Dạng tích phân: Lượng nhiệt Q truyền qua diện tích F vách tính: F Q = ∫ k Δt x dFx = k ∫ Δt x ( Fx )dFx = kF Δt , (W ) F (7.18) F Với: Δt = Δt x ( Fx )dFx gọi độ chênh lệch trung bình mặt F nhiệt độ F ∫0 chất lỏng 7.2.3 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn - Bài toán thiết kế: xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo yêu cầu đề - Bài toán kiểm tra: kiểm tra nhiệt độ cuối chất tải nhiệt - Phương trình truyền nhiệt: Q = kF Δt (7.19) ∆t: logarit hay số học - Phương trình cân nhiệt: Q = G1 ( i1' − i1" ) = G2 ( i2" − i2' ) Q = G1C p1 ( t1' − t1" ) = G2C p ( t2" − t2' ) (7.20) δ t ( t1 − t1 ) W Q = W1 ( t − t ) = W2 ( t − t ) ⇒ = " ' = δ t2 ( t2 − t2 ) W1 ' ' " " " ' W = GCp nhiệt dung toàn phần [W/K] 7.2.4 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (song song) a) Nhiệt độ trung bình lôgarit: Δt = Δtmax − Δtmin Δt ln max Δtmin [K ] (7.21) Hình 7.7: Nhiệt độ trung bình chất lỏng chảy song song chiều 94 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt b) Nhiệt độ trung bình số học: t1' + t1" t2' + t2" − 2 Δt + Δtmin Δt = max Δt = [K ] [K ] (7.22) Hình 7.8: Nhiệt độ trung bình chất lỏng chảy song song ngược chiều 7.2.5 Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình (Cắt nhau) Hình 7.9: Nhiệt độ trung bình chất lỏng chảy cắt Δtnc = Δtmax − Δtmin Δt ln max Δtmin [K ] Δtcn = ε Δt Δtnc (7.23) ε Δt = f ( P, R ) P= t2" − t2' t ' − t" δ t δ t2 = ; R = 1" 1' = Δtmax Δtmax t2 − t2 δ t2 εΔt: xác định đồ thị 7.2.6 Tính nhiệt độ cuối chất tải nhiệt Biết t’1, t’2, W1, W2, tính t”1, t”2 với nhiệt độ trung bình số học ⎫ ⎪ t1' − t2' ⎪⎪ ⎬⇒ Q = 1 ' " " ' ⎪ + + Q = W1 ( t1 − t1 ) = W2 ( t2 − t2 ) ⎪ 2W1 kF 2W2 ⎪⎭ t1' + t1" t2' + t2" − 2 Q = kF Δt Δt = [K ] (7.24) 95 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Ví dụ 7.1: Một tường lò bên gạch chịu lửa dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt 0,348 W/mK, bên lớp gạch đỏ dày 200 mm, hệ số dẫn nhiệt 0,695 W/mK Nếu khói lò có nhiệt độ 13000C, hệ số tỏa nhiệt từ khói đến gạch 34,8 W/m2K; nhiệt độ không khí xung quanh 270C Hệ số tỏa nhiệt từ gạch đến không khí 11,6 W/m2K Tìm mật độ dòng nhiệt truyền qua tường lò nhiệt độ tiếp xúc lớp gạch Lời giải: Mật độ dòng nhiệt qua tường lò: q = k (t f − t f ) k= 1 α1 + δ1 δ + + λ1 λ2 α = 1 0, 250 0, 250 + + + 34,8 0,348 0, 695 11, k = 0,838 ⎡⎣W / m K ⎤⎦ q = 0,838 (1300 − 30 ) = 1064 ⎡⎣W / m ⎤⎦ Nhiệt độ bề mặt tường phía khói: tw1 = t f − q α1 = 1300 − 1064 = 1269 ⎡⎣ C ⎤⎦ 34,8 Nhiệt độ tiếp xúc lớp gạch: tw1 = tw1 − q δ1 0, 250 = 1269 − 1064 = 504 ⎡⎣ C ⎤⎦ λ1 0,348 BÀI TẬP CHƯƠNG Bài tập 7.1: Một ống dẫn hới làm thép đường kính 200/216 hệ số dẫn nhiệt 46 W/mK, bọc lớp cách nhiệt dày 120mm, hệ số dẫn nhiệt 0,116W/mK Nhiệt độ hới 3000C Hệ số tỏa nhiệt từ đến bề mặt ống 116W/m2K, nhiệt độ không khí xung quang 300C Hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt lớp cách nhiệt đến không khí xung quanh 10W/m2K Xác định tổn thất nhiệt mét chiều dài ống nhiệt độ bề mặt cách nhiệt Bài tập 7.2: Một vách có cánh dày 12mm, hệ số dẫn nhiệt λ=60W/mK Phía không làm cánh tiếp xúc với môi trường nóng có nhiệt độ 1170C, hệ số tỏa nhiệt α1=250 W/m2K Phía làm cánh tiếp xúc với không khí có nhiệt độ 170C, hệ số tỏa nhiệt α1=12 W/m2K Hệ số làm cánh F2/F1=12 Xác định mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh phía làm cánh 96 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phạm Lê Dần – GS.TSKH Đặng Quốc Phú, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB GD, 2003 [2] PGS.TS Phạm Lê Dần – GS.TSKH Đặng Quốc Phú, Bài tập Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB GD, 2002 [3] Bùi Hải – Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, NXB KH, 2006 [4] Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB KH - KT, 2007 [5] Hoàng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập nhiệt động lực học truyền nhiệt, ĐH KT TPHCM, 2010 [6] Yunus A Cengel, Michael A Boles, Thermodynamics: an engineering approach, McGraw Hill, 2002 97 .. .Bài giảng Kỹ thuật nhiệt LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật nhiệt môn học sở ngành sinh viên ngành khí Đây học phần nghiên cứu nhiệt động học sở truyền nhiệt, dựa sở kiến thức giúp sinh viên vận dụng... ta nói hệ thực trình nhiệt động 21 Bài giảng Kỹ thuật nhiệt Trong thực tế xảy nhiều trình nhiệt động khác Tổng quát trình đa biến, trình đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt đoạn nhiệt trường hợp đặc... truyền nhiệt , nghiên cứu quy luật truyền nhiệt vật vật có nhiệt độ khác Chúng hy vọng với Bài giảng phần tạo điều kiện cho sinh viên ngành Cơ khí Trường Đại học Phạm Văn Đồng có thêm tài liệu học