Kĩ thuật nhiệt Phần I: Nhiệt động kĩ thuật Nghiên cứu qui luật chuyển hoá lợng có liên quan đến nhiệt Phần II: Truyền nhiệt Nghiên cứu qui luật truyền nhiệt vật vật có nhịêt độ khác Phần I: Nhiệt động kĩ thuật Chơng I: khái niệm Bài 1: Nguyên lí làm việc thiết bị nhiệt Phân loại thiết bị nhiệt: Thiết bị nhiệt: Bao gồm: + Động nhiệt + Máy lạnh bơm nhiệt 1.1 Động nhiệt : Là thiết bị biến nhiệt thành thành điện Động nhiệt : Chia làm loại : + Động nớc + Động đốt a Động nớc: Chuyển nhiệt nớc đốt cháy nhiên liệu thiết bị nồi sang b Động đốt trong: Việc đốt cháy nhiên liệu, toả nhiệt trình chuyển từ nhiệt môi chất (do đốt cháy nhiên liệu) sang đợc thực xi lanh động * Động đốt gồm: Động đốt dạng piston, tua bin khí, động phản lực dùng nhiên liệu chất ô xi hoá lỏng, tua bin phản lực 1.2 Máy lạnh bơm nhiệt: Là thiết bị vận chuyển nhiệt tới nơi khác (từ nơi có nhiệt độ thấp tới nơi có nhiệt độ cao) để thực mục đích làm mát (máy lạnh) sấy nóng (bơm nhiệt) Nguyên lý hoạt động: 2.1 Động nhiệt: Môi chất nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng (quá trình cháy nhiên liệu, phản ứng hoá học, ) giãn nở để biến phần nhiệt thành công LO Sau môi chất nhả phần nhiệt lại cho nguồn lạnh (xả khí quyển, truyền cho nớc làm mát, làm nóng chi tiết, ) Lo = Q1 Q2 - Hiệu suất nhiệt: t = Q1 Q2 Lo = Q1 Q1 2.2 Máy lạnh bơm nhiệt: Máy lạnh bơm nhiệt có chức khác nhng chung nguyên lý : - Máy tiêu hao lợng LO (hỗ trợ lợng từ bên ngoài) để môi chất nhận nhiệt lợng Q2 từ nguồn lạnh (nhiệt vật cần làm lạnh) đem nhiệt với lợng LO truyền cho nguồn nóng (khí quyển, nớc làm mát, ) Q1 = Lo + Q2 + Đối với máy lạnh : Nhiệt lợng có ích là phần nhiệt lợng Q2 lấy đợc từ vật cần làm lạnh Q Lo Q Q Hệ số làm lạnh : = = = 1 Lo Lo Lo + Đối với bơm nhiệt : Nhiệt lợng có ích phần nhiệt lợng Q1 môi chất truyền cho nguồn nóng Q Q + Lo Q Hệ số bơm nhiệt : = = = 1+ = 1+ Lo Lo Lo Đơn vị đo công, nhiệt: 3.1 Đơn vị đo: J (1MJ= 103 kJ=106 J) Ngoài có đơn vị nh : BTU (British Thermal Unit), cal (hoặc kcal) 1J= 0,24 cal, 1BTU= 252 cal (1 BTU/h= 0,3 W) 3.2 Qui ớc dấu công nhiệt: - Nhiệt mà vật nhận vào: Q>0 - Nhiệt mà vật toả ra: Q0 - Công mà vật nhận đợc: L v = V Nội (u): Là toàn dạng lợng bên vật (bao gồm: nhiệt dạng lợng khác nh hoá năng, quang năng, lợng nguyên tử,) - Khi xét nhiệt động kĩ thuật: Giả thiết dạng lợng khác nhiệt có biến đổi dạng lợng khác Do nội nội nhiệt gồm : + Nội động hàm f(T) + Nội hàm f(v) (phụ thuộc vào lực tơng hỗ phân tử tức phụ thuộc vào khoảng cách phân tử) Từ ta có nội u = f(T,v) * Với khí lí tởng: Khoảng cách phân tử r = (không có lực tơng tác phân tử) nên u = f(T) Entanpi (i): - Entanpi đợc định nghĩa: Với kg môi chất i = u + pv (J/kg) Với G kg môi chất: (J) I = U + p.V - Đối với khí lí tởng i = f(T) u pv phụ thuộc vào nhiệt độ T Entropi (s): - Entropi đợc xác định biểu thức: ds = dq T (J/kg.OK) Với q : Lợng nhiệt môi chất trao đổi với môi trờng T : Nhiệt độ tuyệt đối môi chất Execgi (e): - Trong tất dạng lợng có lợng nhiệt không chuyển hoàn toàn thành công trình thuận nghịch Gọi execgi lợng nhiệt biến thành công Kí hiệu e q =e+a Ta có: Với q: Tổng nhiệt môi chất a: (anecgi) phần nhiệt không chuyển hoá thành công Bài 4: Phơng trình trạng thái môi chất Phơng trình trạng thái môi chất: 1.1 Phơng trình trạng thái khí lý tởng: - Là phơng trình biểu diễn mối quan hệ thông số trạng thái với nhau, thông thờng thông số có bản: p, v, T - Đối với khí lý tởng, phơng trình trạng thái viết cho: p.v = RT + kg khí lý tởng: Với p: áp suất tuyệt đối (N/m2) v: Thể tích riêng (m3/kg) R: Hằng số chất khí (J/kg OK) T: Nhiệt độ tuyệt đối (OK) Viết cho G kg khí lý tởng : pvG = GRT pV = GRT + Viết cho kmol ( kg) khí lý tởng: p.Và = Rà T với: Và : Thể tích kmol môi chất đktc (p=760 mmHg, t= 0O C: Và = 22,4 m3) Rà : Hằng số phổ biến môi chất ta có Rà = 8314 (J/kmol.OK) R= Rà 8314 = à (J/kg.OK) 1.2 Phơng trình trạng thái hỗn hợp khí lý tởng: - Hỗn hợp đồng khí lý tởng: Là hỗn hợp học khí phản ứng hoá học - Các thông số hỗn hợp: * Phân áp suất pi : Là áp suất khí thành phần đợc tách riêng nhng giữ nhiệt độ thể tích nhiệt độ thể tích hỗn hợp ( Ti = T , Vi = V ) áp suất hỗn hợp: n p = p1 + p2 + + pn = pi với pi: áp suất khí thành phần i =1 * Phân thể tích Vi : Là thể tích khí thành phần đợc tách riêng nhng giữ nhiệt độ áp suất nhiệt độ áp suất hỗn hợp ( Ti = T , pi = p ) n Thể tích hỗn hợp: V = V1 + V2 + + Vn = Vi với Vi: Thể tích khí thành phần i =1 - Phơng trình trạng thái viết cho: + Hỗn hợp khí lí tởng: pV = GRT + Từng khí thành phần hỗn hợp theo phân áp suất ( pi , Ti = T ,Vi = V ): pi V = Gi RiT (1) + Từng khí thành phần tách khỏi hỗn hợp theo phân thể tích ( pi = p, Ti = T ,Vi ): p.Vi = Gi Ri T (2) Vi pi = V p 1.3 Các thành phần hỗn hợp khí lý tởng: - Thành phần hỗn hợp đặc trng có để phân biệt hỗn hợp với Từ (1) (2) ta có: pi V = Vi p Thành phần đợc xác định theo: Thành phần khối lợng, thành phần thể tích, thành phần kilomol a Thành phần khối lợng (gi): Là tỉ số khối lợng khí tổng khối lợng hỗn hợp Gi G G gi = = n i = i G1 + G2 + + Gn G Gi i =1 b Thành phần thể tích thành phần kilomol (ri): ri = Vi M i = V M Với Vi, Mi: Là thể tích số kilomol khí thứ i p V p - Ta có: pi V = p.Vi i = i = ri ri = i p V p 1.4 Xác định đại lợng tơng đơng hỗn hợp: Khi tính toán, ngời ta coi hỗn hợp khí nh khí đơn giản có thông số (đại lợng) tơng đơng với hỗn hợp a Kilomol tơng đơng hỗn hợp: G Gi ài M i = ri ài à= = = = ri ài M M M àCO2 = 44(kg ), àO2 = 32(kg ) G 1 = à= G g g Hoặc: i ài ài i i i b Hằng số chất khí hỗn hợp: R 8314 R= = ( J / kg K ) à c Thể tích riêng hỗn hợp: v= r v = g i vi vi i 1.5 Phơng trình trạng thái khí thực: a (p + ).(v b) = RT v Với a,b: Các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào chất khí Do có lực tơng tác phân tử khí thực nên : + áp suất khí thực lớn áp suất thành bình (p) lợng a/v2 + Thể tích thực tế nhỏ thể tích bình chứa lợng b Chú ý: Phơng trình cho khí thực áp suất nhỏ thể tích lớn à= G G = = M Mi Chơng II: Định luật nhiệt động thứ Và trình môi chất Bài 1: Nhiệt, công phơng pháp xác định Nhiệt dung riêng cách tính nhiệt: 1.1 Nhiệt dung riêng (C): Là lợng nhiệt cần truyền cho môi chất để môi chất tăng lên độ (trong trình nhiệt động nh đẳng áp, đẳng tích hay đoạn nhiệt, ) dq C= dt - Trong khoảng nhiệt độ: Nhiệt dung riêng lấy giá trị trung bình q q t C tt = = Trong đó: q = C.dt t t t2 t1 2 1 t C.dt t t * Các loại nhiệt dung riêng: - Tuỳ theo đơn vị đo lợng môi chất mà chia nhiệt dung riêng thành loại khác nhau: + Nhiệt dung riêng khối lợng: C ( J / kg o K ) C t1 t2 = + Nhiệt dung riêng thể tích: C ( J / m3 o K ) + Nhiệt dung riêng kilomol: Cà ( J / kmol o K ) C = C .v = Cà , Với v thể tích riêng môi chất (m3/kg) à khối lợng tính kg có trị số khối lợng phân tử môi chất nh àCO2 = 44(kg ), H 2O = 18(kg ) - Tuỳ theo cách cấp nhiệt (đẳng áp, đẳng tích) cho môi chất, ta có: + Nhiệt dung riêng đẳng áp: (p= const) C p : nhiệt dung riêng khối lợng đẳng áp C p : nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp Cà p : nhiệt dung riêng kilomol đẳng áp + Nhiệt dung riêng đẳng tích: (V= const) Cv : nhiệt dung riêng khối lợng đẳng tích Cv : nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích Cv : nhiệt dung riêng kilomol đẳng tích - Số mũ đoạn nhiệt (k): C C C k = p = p = àp Cv Cv Cà v Số mũ đoạn nhiệt k đánh giá hiệu cách cấp nhiệt: Lợng nhiệt cần truyền cho môi chất để môi chất tăng lên độ điều kiện đẳng áp lớn k lần so với điều kiện đẳng tích + Với khí lí tởng: k= f (số nguyên tử tạo thành phân tử) Số nguyên tử k 1,67 1,40 1,30 + Với khí thực: k= f (số nguyên tử tạo thành phân tử, phụ thuộc vào nhiệt độ) * Công thức Mayer cho khí lí tởng: C p Cv = R = Ta có kết : Cv = 8314 ( J / kg o K ) (mặt khác: k = Cp Cv ) k R C p = R k k 1.2 Cách tính nhiệt (q): Có cách tính nhiệt: + Theo nhiệt dung riêng: dq = C.dt ds = + Theo entropi: a Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng: dq dq = T ds T t2 dq c= dq = c.dt q = c.dt dt t1 (nhiệt lợng cần thiết để đa môi chất từ nhiệt độ t1-> t2: 1q2) t2 q2 = C.dt = Cttb t1 t1 t2 (t2 t1 ) Cttb : Nhiệt dung riêng trung bình môi chất khoảng nhiệt độ t1ữ t2 Ngoài ta đổi cận: q2 t2 t1 0 = C.dt C.dt = Cttb t2 t2 Cttb t01 t1 b Tính nhiệt theo thay đổi entropi: Trong trình đẳng nhiệt (t=const) không tính đợc q theo nhiệt dung riêng dt=0 nên cần phải tính theo s: s2 s1 dq = T ds q2 = dq = T ds Nhận xét: ds, dq dấu (vì T>0) Giả sử s>0 (entropi tăng) nên 1q2 >0 môi chất nhận nhiệt 1q2 dấu với dt 1q2 hàm trạng thái (vì phụ thuộc vào trình từ trạng thái đến trạng thái 2) để đạt đợc trạng thái mong muốn (2) có nhiều cách cấp nhiệt để đảm bảo lợng nhiệt cấp nhỏ (Chú ý: Khi xét đến nhiệt động thực tế để đảm bảo cấp nhiệt theo đờng mong muốn cần tiêu tốn công cho thiết bị để đảm bảo trì đợc quan hệ theo yêu cầu nên tiêu hao công, có khó khăn mặt kỹ thuật, tốn kinh tế) VD: Cấp nhiệt đẳng tích chi phí chế tạo bình (chịu nhiệt, chịu áp suất cao,) Cấp nhiệt đẳng áp để tăng tO, V cần có thiết bị thay đổi thể tích, làm mát, chịu nhiệt,) Các loại công môi chất: 2.1 Công giãn nở: - Định nghĩa: Là công môi chất thực có thay đổi thể tích (khi môi chất giãn nở nén) A = dl = F dx = p S{.dx = p.dv - Biểu thức tính: dv + Với kg môi chất: dl = p.dv (J/kg) 10 Từ (4), (5), (6), (7) => t w2 = t w1 q.R1 t w3 = t w2 q.R2 = t w4 + q.R3 Tổng quát : Đối với vách phẳng n lớp t wn = tw( n 1) q.R( n 1) = t w( n+1) + q.Rn Dẫn nhiệt qua vách trụ: 2.1 Đối với vách trụ lớp : - Xét vách trụ có : + Chiều dài lớn nhiều so với bề dày vách + Vật liệu đồng chất, đẳng hớng + Hệ số dẫn nhiệt = const + Nhiệt độ bề mặt t w1 , t w (giả thiết t w1 > tw ), dẫn nhiệt từ - Xét phân tố có bề dày dr giới hạn hai mặt đẳng nhiệt có dòng nhiệt dQ=q.dF Nhiệt lợng toả chiều dài l vách trụ: dt Q = q.F Q = r.l dr Q Q dr t= ln r + B 2l .2 l r - Điều kiện biên: + r = r1 -> t = tw1 dt = (1) (2) + r = r2 -> t = tw Thay (2) vào (1) ta có : Thay (3) vào (1) ta có : (3) Q ln r1 2l 2l Q = (t w1 tw ) d ln d1 B = t w1 + Dòng nhiệt ứng với đơn vị chiều dài vách trụ: ql = ql = Q = (t w1 t w ) d l ln d1 (tw1 t w2 ) t = d Rl ln d1 o d ln ( m K ) nhiệt trở dẫn nhiệt đơn vị chiều dài vách trụ d1 W 2.2 Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp: Chứng minh tơng tự nh vách phẳng nhiều lớp ta đợc: t w1 tw3 ql = * Mật độ dòng nhiệt: Rl1 + Rl + Rl Với Rl = d d d ln ; Rl = ln ; Rl = ln 21 d1 22 d 23 d3 Tổng quát: Đối với vách trụ n lớp Với Rl1 = 29 ql = t w1 tw( n+1) n Rli với Rli = i =1 d (i +1) ln 2i di * Tính nhiệt độ: t w = t w1 ql d ln 21 d1 ql d q d ln = t w + l ln 22 d2 23 d3 Tổng quát: Đối với vách trụ n lớp t w3 = t w t wn = tw( n 1) d ( n +1) ql d q ln n = t w( n +1) + l ln 2( n1) d( n1) 2n dn 30 Chơng Vi: Trao đổi nhiệt đối lu Bài Trao đổi nhiệt đối lu nhân tố ảnh hởng đến trao đổi nhiệt đối lu Trao đổi nhiệt đối lu: - Là trình trao đổi nhiệt có chuyển động khối chất lỏng chất khí không gian vùng có nhiệt độ khác - Quá trình trao đổi nhiệt bề mặt vật rắn dòng chất lỏng khí chuyển động bề mặt gọi tỏa nhiệt đối lu - Quá trình trao đổi nhiệt đối lu thờng đợc thực đồng thời với trình dẫn nhiệt Những yếu tố ảnh hởng đến trao đổi nhiệt đối lu: 2.1 Nguyên nhân gây chuyển động: Có hai dạng a Chuyển động tự nhiên: - Là chuyển động gây chênh lệch mật độ hai vùng có nhiệt độ khác Khi lực nâng làm chất lỏng chất khí chuyển động: P = g Với: + g gia tốc trọng trờng + độ chênh lệch mật độ hai vùng có nhiệt độ khác b Chuyển động cỡng bức: - Là chuyển động gây tác dụng ngoại lực bên (bơm, quạt, máy nén) - Trong trình trao đổi nhiệt đối lu cỡng kèm theo đối lu tự nhiên (vì tồn vùng có nhiệt độ khác nhau) - Nếu cờng độ chuyển động cỡng môi chất lớn trao đổi nhiệt đối lu tự nhiên nhỏ ngợc lại 2.2 Chế độ chuyển động: Có hai dạng : + Chảy tầng: Quĩ đạo phần tử song song với + Chảy rối: Quĩ đạo phần tử không theo quy luật .l - Chế độ chảy đợc xác định theo công thức: Re = Với : + tốc độ chuyển động môi chất (m/s) + l kích thớc bề mặt tỏa nhiệt (m) + độ nhớt động học (m2/s) Re>2300 chế độ chảy rối Retf) * Diễn biến trình: Lớp không khí sát bề mặt đợc đốt nóng trở nên nhẹ, chuyển động lên phía có lớp không khí lạnh, nặng vào chiếm chỗ, trình tạo nên dòng đối lu Quá trình tiếp diễn liên tục nh làm cho vùng không khí xung quanh đợc đốt nóng * Đặc điểm: - Phần phía dới vách : Không khí chuyển động lên phía với tốc độ không cao nên không khí chế độ chảy tầng - Phần phía vách : Càng lên cao tốc độ dòng khí lớn Chiều dày lớp chảy tầng tăng dần đến giá trị qua chế độ chuyển tiếp ngắn chuyển sang chế độ chảy rối - Hệ số toả nhiệt : + mép dới : lớn nhất, sau giảm dần + Chế độ chuyển tiếp : tăng + Chế độ chảy rối : ổn định 1.2 Trao đổi nhiệt đối lu không gian hữu hạn: - Không gian hữu hạn : Là không gian chứa mà trình đốt nóng hay làm nguội đan xen có ảnh hởng lẫn - Với tấm, ống đặt đứng : + Nếu khoảng cách hai vách đủ lớn tạo thành hai luồng khí lên, xuống tách biệt + Nếu nhỏ hai luồng khí ảnh hởng lẫn nhau, tạo thành nhiều vòng tuần hoàn - Với tấm, ống đặt ngang : + Nếu bề mặt nóng đặt quay lên phía đối lu môi chất chế độ chảy tầng + Nếu bề mặt nóng đặt quay xuống phía dới có dòng đối lu tạo thành nhiều vòng tuần hoàn Trao đổi nhiệt đối lu cỡng : - Là trình trao đổi nhiệt đối lu chất lỏng chất khí chuyển động cỡng (nhờ máy bơm, máy nén, quạt gió,) 2.1 Trao đổi nhiệt đối lu chất lỏng khí chảy ống : a Chế độ chảy tầng (Re2300) : - Chất lỏng dịch chuyển nhanh nên đối lu tự nhiên ảnh hởng đến trình trao đổi nhiệt - Cờng độ trao đổi nhiệt lớn nhiều so với chế độ chảy tầng 2.2 Trao đổi nhiệt đối lu chất lỏng khí chảy ngang qua ống : a Chất lỏng khí chảy ngang qua ống : - Tuỳ theo tốc độ chuyển động chất lỏng khí mà có trạng thái khác * Re5: - Chất lỏng tách phần khỏi bề mặt ống tách hoàn toàn tạo thành vùng xoáy phía sau ống - Hệ số toả nhiệt phía sau ống giảm dần nhỏ vùng chất lỏng tách khỏi bề mặt ống * Re>1000: Có tách dòng hoàn toàn khỏi bề mặt ống tạo thành xoáy lớn b Chất lỏng khí chảy ngang qua chùm ống : Có hai dạng: + Chùm ống bố trí song song + Chùm ống bố trí so le * Quá trình: - dãy ống thứ 1: Quá trình giống nh dòng chất lỏng khí qua ống - dãy ống thứ : + Đối với chùm ống song song : Phần tiếp xúc trực diện ống nằm vùng xoáy dãy ống hệ số toả nhiệt lớn chùm ống + Đối với chùm ống so le : Quá trình không khác chùm ống thứ nhiều - Từ dãy ống thứ trở đi: Hệ số toả nhiệt hai loại chùm ống ổn định * Hệ số toả nhiệt : - Đối với chùm ống song song : = 60% , = 90% - Đối với chùm ống so le : = 60% , = 70% Hệ số toả nhiệt trung bình dãy gồm n ống có kích thớc nh theo công thức : + + (n 2) = n 35 Chơng Vii: trao đổi nhiệt xạ Bài : kháI niệm Bức xạ hấp thụ nhiệt vật : Bức xạ lợng kết trình dao động điện từ bên nguyên tử, phân tử vật chất vật Các dao động điện từ đợc truyền không gian theo phơng dới dạng sóng điện từ đập vào vật khác chúng bị hấp thụ (một phần toàn bộ) để biến thành nhiệt Hiệu trình trao đổi nhiệt xạ phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ mà phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối vật Vật đen tuyệt đối, trắng tuyệt đối, tuyệt đối : Khi dòng xạ Q đập vào bề mặt vật có phần bị phản xạ Q R, phần đợc hấp thụ QA phần lại xuyên qua vật QD : Q = QR + QA + QD QR Q Q = R hệ số phản xạ ; A = R hệ số hấp thụ D = R hệ số xuyên qua Q Q Q Ta có : R + D +A= Khi A = (D = R = 0) gọi vật đen tuyệt đối Khi R = (D = A = 0) gọi vật trắng tuyệt đối.Khi D = (A = R = 0) gọi vật tuyệt đối Vật rắn chất lỏng coi D = gọi vật đục Khí có số nguyên tử coi D = Năng suất xạ, xạ hiệu dụng, xạ hiệu : Nếu xạ tính ứng với khoảng hẹp chiều dài bớc sóng ữ + d gọi dòng xạ đơn sắc Q - Năng suất xạ dòng xạ phát từ đơn vị diện tích bề mặt : E = dQ (W/m2) dF - Bức xạ hiệu dụng tổng xạ thân (bức xạ riêng E) xạ phản xạ E R vật đục : Ehd = ER + E = E + (1 - A) Et (1) Et phần xạ môi trờng tới vật - Bức xạ hiệu lợng nhiệt vật trao đổi với môi trờng ký hiệu q (W/m2) Khi vật có nhiệt độ nhỏ môi trờng (vật nhận nhiệt) : q = EA - E = AEt - E (2) Khi vật có nhiệt độ cao môi trờng (vật tỏa nhiệt) : q = E - EA = E - AEt (3) Từ (1), (2), (3) ta suy : Ehd = E q 1ữ A A (4) Trong (4) lấy dấu (+) vật nhận nhiệt dấu (-) vật tỏa nhiệt Bài : số định luật xạ Định luật Planck : E0 Cl = C2 / T e (5) E0 suất xạ đơn sắc vật đen tuyệt đối Cl = 0,374 10-15 (W/m2) ; C2 = 1,4388.10-2 (m.K) Năng suất xạ vật đen tuyệt đối : E0 = E0 d (6) Gọi max bớc sóng tơng ứng với E0 đạt cực đại ta có : max T = 2,898.10-3 (m.K) (7) Những vật có E = E0 giá trị nhiệt độ T đợc gọi vật xám gọi hệ số xạ (hoặc độ đen) Định luật Stefan - Bolzmann : E0 = T 36 (8) số xạ vật đen tuyệt đối = 5,67.10-8 (W/m2.K4) Trong kỹ thuật công thức (8) thờng viết dới dạng : E0 = C0 T ữ 100 (9) C0 hệ số bớc xạ vật đen tuyệt đối C0 = 108 = 5,67 (W/m2.K4) Phơng trình Stefan - Bolzmann vật xám : 4 T T E = E0 = C0 = C. ữ ữ 100 100 (10) C hệ số xạ vật xám Định luật Kirchhoff : Phát biểu : Tỷ số suất xạ hệ số hấp thụ vật đục phụ thuộc vào nhiệt độ suất xạ vật đen tuyệt đối có nhiệt độ E (T ) = E0 (T ) A(T ) Công thức : (11) Từ (11) ta thấy điều kiện cân nhiệt động = A Đối với vật xám = A = const Bài : trao đổi nhiệt xạ vật đặt môi trờng suốt Trao đổi nhiệt xạ hai vách phẳng song song rộng vô hạn : 1.1 Khi chắn hai vật : Xét hai vách phẳng có thông số T 1, A1, T2, A2, (T1 > T2) Lợng nhiệt trao đổi hai vách hiệu xạ hiệu dụng vật vật lợng nhiệt vật lợng nhiệt vật nhận đợc : q12 = Ehd1 - Ehd2 = q1 = q2 E1 q12 = A1 q1 A1 E2 1ữữ A2 C0 A E AE q12 = 1 = A1 + A2 + A1 A2 + A1 A2 Đặt C12 = T T ữ ữ 100 100 T T ữ ữ 100 100 Vì = A nên (12) viết : Với A2 1ữữ (12) C0 gọi hệ số xạ hệ thống công thức (12) trở thành : 1/ A1 + 1/ A2 q12 = C12 qd = q2 (13) C0 q12 = 1 + 1 T T ữ ữ 100 100 (14) 1 + đợc gọi độ đen quy dẫn hệ 1.2 Khi có chắn hai vật : Xét trờng hợp hai vách có n chắn chắn có hệ số hấp thụ Am1, Am2, Amn Do trình ổn định chiều nên : q 1m1 = qm1m2 = = qmn2 = q12 Lợng nhiệt trao đổi hai đợc tính theo công thức : 37 4 T T q1m1 T1 Tm1 m 1 q1m1 = C1m1 ữ ữ = ữ ữ C1m1 100 100 100 100 4 T T qm1m Tm1 Tm m m1 qm1m2 = Cm1m = ữ ữ ữ ữ Cm1m 100 100 100 100 4 T T qmn T2 T mn mn qmn2 = Cmn ữ ữ = ữ ữ Cmn 100 100 100 100 Cộng vế phơng trình ta có : q12 = 1 1 + + + C1m1 Cm1m Cmn T T ữ ữ 100 100 (15) Khi Am1 = Am2 = = Amn = Am nên công thức (15) trở thành : q12 = n 1 + + + C1m Cmm Cm T T ữ ữ 100 100 (16) Thay hệ số xạ hệ thống vào (16) biến đổi ta có : T T ữ ữ q12 = 100 100 1ữ+ n 1ữ + Am A1 A2 C0 (17) Trao đổi nhiệt xạ hai vật bọc : Xét hai vật bọc có vật lồi (vật1) vật lõm (vật 2) có thông số F1, T1, A1, F2,T2, A2, (T1 > T2) Năng lợng xạ hiệu dụng vật 1chuyển hoàn toàn đến vật : Q12 = Qhd1 Nhng phần xạ hiệu dụng vật chuyển đến vật xác định thông qua hệ số góc xạ : Q21 = Qhd2 21 Trong trờng hợp ổn định lợng nhiệt trao đổi hai vật : Q = Q12 - Q21 = Qhd1 - Qhd2 21 (18) C0 Q= Thay (4) vào (18) ta có: + 1ữ A1 A2 21 T T2 F F ữ ữ 21 100 100 (19) Hệ số góc 21 đợc xác định từ điều kiện cân T = T2 lúc Q = nên từ (19) ta có : 21 = F1 Thay hệ số góc vào (19) ta đợc dòng xạ trao đổi hai vật : F2 T T ữ ữ 100 100 (W) (20) T T Khi F1 nhỏ so với F2 : Q = C0 A1F1 ữ ữ 100 100 (W) (21) C0 F1 Q= F1 + 1ữ A1 A2 F2 38 Khi F1 = F2 21 = công thức (20) trở thành (12) trờng hợp hai vách phẳng song song chắn Chơng Viii : Truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt Bài : Truyền nhiệt Định nghĩa truyền nhiệt : Có ba dạng trao đổi nhiệt : Dẫn nhiệt, đối lu, xạ Trong thực tế, trình trao đổi nhiệt thờng kết hợp dạng Quá trình trao đổi nhiệt gồm hai ba dạng gọi trao đổi nhiệt hỗn hợp Truyền nhiệt trờng hợp riêng trao đổi nhiệt hỗn hợp Định nghĩa: Truyền nhiệt trình trao đổi nhiệt hai môi trờng (chất lỏng chất khí) có nhiệt độ khác qua vách ngăn - Quá trình truyền nhiệt đợc thực qua ba giai đoạn : + Trao đổi nhiệt đối lu môi trờng có nhiệt độ cao tf1 với bề mặt vách (có nhiệt độ tw1) + Dẫn nhiệt qua vách phẳng + Trao đổi nhiệt đối lu bề mặt vách (có nhiệt độ tw2) với môi trờng có nhiệt độ thấp tf2 Một số trờng hợp thờng gặp : 2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng: 39 a Vách phẳng lớp : Giả thiết: + Vách phẳng có vật liệu đồng chất, đẳng hớng; chiều dày ; hệ số dẫn nhiệt = const ; nhiệt độ bề mặt t w1 , t w (giả thiết t w1 > tw ) + Một mặt vách tiếp xúc với môi trờng nóng có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt từ môi trờng vào vách + Mặt vách lại tiếp xúc với môi trờng có nhiệt độ thấp tf2, hệ số toả nhiệt từ vách môi trờng * Mật độ dòng nhiệt qua môi trờng: - Đối lu từ môi trờng vào vách: q = (t f t w1 ) (1) - Đối lu từ vách môi trờng 2: Từ (1), (2), (3) ta có: Với Rk = k= q= t w1 tw q = (t w2 t f ) q= - Dẫn nhiệt qua vách phẳng: (2) (3) tf1 tf tf1 tf = Rk + + + + nhiệt trở truyền nhiệt vách phẳng (m2.OK /W) = Rk O + + ) hệ số truyền nhiệt vách phẳng (W/m K) b Vách phẳng nhiều lớp : Chứng minh tơng tự ta đợc: tf1 tf q= n + i + i =1 i Đặt ( 2.2 Truyền nhiệt qua vách trụ : a Vách trụ lớp : Giả thiết: + Vách trụ vật liệu đồng chất, đẳng hớng; có đờng kính d1, d2; hệ số dẫn nhiệt = const ; nhiệt độ bề mặt t w1 , t w (giả thiết t w1 > tw ) + Mặt trụ tiếp xúc với môi trờng nóng có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt từ môi trờng vào vách trụ + Mặt trụ tiếp xúc với môi trờng có nhiệt độ thấp tf2, hệ số toả nhiệt từ vách trụ môi trờng 40 * Mật độ dòng nhiệt qua môi trờng ứng với đơn vị chiều dài vách trụ ql = - Đối lu từ môi trờng vào vách: ql = - Dẫn nhiệt qua vách trụ: - Đối lu từ vách môi trờng 2: Từ (1), (2), (3) ta có: Rl = ql = ql = 1. d1 (t f t w1 ) t w1 t w d ln 2 d1 ql = d (t w t f ) Q l (1) (2) (3) tf1 tf tf1 tf = 1 d Rl + ln + d1 d1 d 1 d + ln + nhiệt trở truyền nhiệt vách trụ (m2.OK /W) d1 d1 d Đặt kl = hệ số truyền nhiệt vách trụ (W/m2.OK) Rl b Vách trụ nhiều lớp : Chứng minh tơng tự ta đợc: tf1 tf ql = n d 1 + ln (i +1) + d1 i =1 2i di d 2.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh: Xét vách có cách: + Bằng vật liệu đồng chất, đẳng hớng có kích thớc nh hình vẽ, diện tích tiếp xúc mặt vách cánh F 1, diện tích tiếp xúc mặt vách có cánh F2, hệ số dẫn nhiệt = const + Môi trờng có nhiệt độ tf1, hệ số toả nhiệt từ môi trờng vào vách + Môi trờng có nhiệt độ tf2, hệ số toả nhiệt từ vách môi trờng * Dòng nhiệt truyền qua vách: - Đối lu từ môi trờng vào vách: Q = 1F1 (t f tw1 ) (1) 41 - Dẫn nhiệt qua vách : - Đối lu từ vách môi trờng 2: Từ (1), (2),(3) ta có: t w1 t w2 F1 Q = F2 (t w t f ) Q= Q= (2) (3) tf1 tf = K c (t f t f ) + 1F1 F1 F2 1 Với hệ số truyền nhiệt qua vách có cánh + 1F1 F1 F2 Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách: Q q1 = = + Phía cánh: F1 + + F1 F2 Kc = + Phía có cánh: q2 = Q F = F2 với tỉ số gọi hệ số cánh F2 + + F1 F1 42 Bài thiết bị trao đổi nhiệt Định nghĩa phân loại thiết bị trao đổi nhiệt : 1.1 Định nghĩa : Là thiết bị thực trình trao đổi nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác thí dụ nh thiết bị sấy, bình ngng, bình bay vv 1.2 Phân loại : Theo nguyên lý làm việc chia thành loại : * Thiết bị trao đổi nhiệt loại ngăn cách : Các chất mang nhiệt chuyển động không gian cách biệt vách ngăn (bề mặt ống, rãnh vv ), trao đổi nhiệt chúng đợc thực qua vách ngăn thí dụ bình ngng, bình gia nhiệt nớc nóng * Thiết bị trao đổi nhiệt loại hồi nhiệt : Đặc tính làm việc bề mặt truyền nhiệt có tính chất chu kỳ, khoảng thời gian định bề mặt tiếp xúc với chất lỏng nóng đợc truyền nhiệt Nhng nửa chu kỳ sau bề mặt lại nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh qua chúng Qua trình trao đổi nhiệt thờng trình không ổn định nh thiết bị sấy gió nóng lò thủy tinh, lò cao * Thiết bị trao đổi nhiệt loại hỗn hợp : Chất lỏng nóng lạnh trao đổi nhiệt cho chúng hỗn hợp với Đặc điểm loại thiết bị trình trao đổi nhiệt đợc tiến hành đồng thời với trình trao đổi chất nh tháp làm mát nớc tuần hoàn Các phơng trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt : 2.1 Phơng trình cân nhiệt : Q = G1 ( i1' i1'' ) = F2 ( i2' i2'' ) + Qtt (1) Khi không tính đến tổn thất nhiệt môi trờng Qtt = biến đổi pha chất lỏng trình trao đổi nhiệt, phơng trình (1) trở thành : Q = G1c p1 ( t1' t1'' ) = G2c p ( t2' t2'' ) (2) Các số ứng với chất lỏng nóng lạnh Các ký hiệu ứng với trạng thái đầu vào đầu chất lỏng thiết bị Nếu C = G cp (W/K) nhiệt dung toàn phần từ (2) viết : C1 t2" t2' t1 = = C2 t1' t1" t2 (3) 2.1 Phơng trình truyền nhiệt : dQ = k ( t1 t2 ) dF (4) t = t1 t2 độ chênh nhiệt độ chất lỏng nóng lạnh phân tố bề mặt dF Q = k.tdF k.t.F F (W) (5) Với t độ chênh trung bình nhiệt độ chất lỏng toàn bề mặt truyền nhiệt F 43 [...]... Truyền nhiệt Nghiên cứu các dạng và các qui luật trao đổi nhiệt giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau để xác định: + Lợng nhiệt trao đổi giữa các vật + Qui luật phân bố nhiệt trong vật Từ đó đề ra các biện pháp tăng cờng trao đổi nhiệt, tăng cờng cách nhiệt, Chơng V: Dẫn nhiệt Bài 1: Những khái niệm cơ bản 25 1 Dẫn nhiệt: - Là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật có nhiệt. .. Dòng nhiệt và mật độ dòng nhiệt : 5.1 Mật độ dòng nhiệt : Là lợng nhiệt truyền qua 1 đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt, vuông góc với phơng truyền nhiệt trong 1 đơn vị thời gian - Kí hiệu q đơn vị (W/m2) 5.2 Dòng nhiệt : Là lợng nhiệt tính cho toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt dQ = q.dF => Q = q.dF F Nếu q= const thì Q=q.F (W) 6 Định luật Fourier về dẫn nhiệt : Mật độ dòng nhiệt q và gradt nhiệt. .. quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt + Đẳng nhiệt: T = const dq = 0 s = const T 1 Chu trình Carnot thuận chiều (Động cơ nhiệt) : 1.1 Diễn biến chu trình: + Đoạn nhiệt: q=0 mà ds = - Quá trình ab: Nén đoạn nhiệt, nhiệt độ tăng từ T2 đến T1 - Quá trình bc: + Giãn nở đẳng nhiệt + Môi chất nhận nhiệt lợng: q1 = qbc = T1.s q1 = T1.( sc sb ) - Quá trình cd: Giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm... Nếu nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian thì gọi là trờng nhiệt độ ổn định - Tuỳ theo số lợng biến x,y,z mà ta có trờng nhiệt độ 3 chiều, 2 chiều hay 1 chiều * Đối với quá trình dẫn nhiệt : Chia làm 2 loại : + Dẫn nhiệt ổn định + Dẫn nhiệt không ổn định 3 Mặt đẳng nhiệt : Là tập hợp của tất cả các điểm có cùng nhiệt độ tại thời điểm nghiên cứu Chú ý : Các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau 4 Gradien nhiệt. .. hoá: Thể hiện bằng hiệu suất nhiệt , hệ số làm lạnh , hệ số bơm nhiệt Một số cách phát biểu khác của định luật nhiệt động thứ II: * Cách 1: Nhiệt năng không thể truyền từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao * Cách 2: Không thể sinh công một cách liên tục bằng một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình chỉ có một nguồn nhiệt 22 Chơng IV: chu trình nhiệt động Bài 1 : các loại chu trình của... thể coi đó là chất cách nhiệt Bài 2 : Dẫn nhiệt ổn định khi không có nguồn nhiệt bên trong Xét 2 trờng hợp : - Dẫn nhiệt qua vách phẳng : + Một lớp + Nhiều lớp - Dẫn nhiệt qua vách trụ : + Một lớp + Nhiều lớp 1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng : 1.1 Đối với vách phẳng một lớp : Xét dẫn nhiệt qua vách phẳng có : + Chiều dày , vật liệu đồng chất, đẳng hớng + Hệ số dẫn nhiệt = const + Nhiệt độ bề mặt là t w1... trình ba: Giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm từ T1 đến T2 - Quá trình ad: + Giãn nở đẳng nhiệt + Môi chất nhận nhiệt lợng: q2 = qad = T2 s - Quá trình dc: Nén đoạn nhiệt, tăng nhiệt độ từ T2 đến T1 - Quá trình cb: + Nén đẳng nhiệt + Môi chất nhả nhiệt lợng: q1 = qcb = T1.s 21 Ta có công thức : q1 = l0 + q2 1.2 Hệ số làm lạnh: = q2 q2 T2 = = l0 q1 q2 T1 T2 = T2 T1 T2 1.3 Hệ số bơm nhiệt (làm nóng): =... - Quá trình ad: + Nén đẳng nhiệt + Môi chất nhả nhiệt lợng: q2 = qda = T2 s q2 = T2 ( sa sd ) 1.2 Hiệu suất nhiệt: T q q2 T1.s T2 s = 1 2 = 1 = T1 q1 T1.s Nhận xét: + Hiệu suất nhiệt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc loại môi chất T + Để tăng hiệu suất nhiệt thì cần giảm 2 tức là tăng nhiệt độ nguồn nóng T1 và giảm T1 nhiệt độ nguồn lạnh T2 + Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là... này gọi là công kỹ thuật dl = dln + dlld dlld = d ( pv) = p.dv + v.dp dln = dl ( p.dv + vdp ) = pdv + pdv vdp = vdp dln = vdp = dlkt ý nghĩa: Công kĩ thuật (khi tính gần đúng) là công hữu ích đợc lấy từ dòng khí (hệ hở) thông qua 1 thiết bị kĩ thuật (tua bin,) 2 (Tổng quát: lkt = ln + 2 ) { ngoại động năng Bài 2: Định luật nhiệt động thứ nhất 1 Nội dung định luật nhiệt động I: Giữa nhiệt năng và... phụ thuộc vào loại môi chất mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh T1 , T2 + Để tăng , cần tăng nhiệt độ nguồn nóng, giảm nhiệt độ nguồn lạnh Bài 3: Định luật nhiệt động thứ II Định luật nhiệt động II: Thực chất là định luật nhiệt động I nhng xác định thêm các điều kiện, chiều hớng và mức độ chuyển hoá năng lợng + Điều kiện: Để nhiệt truyền từ nguồn lạnh sang nguồn nóng cần có