Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 8 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 8: Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt, cung cấp cho người học những kiến thức như Truyền nhiệt qua vách phẳng; Truyền nhiệt qua vách trụ; Truyền nhiệt qua vách có cánh; Tăng cường truyền nhiệt; Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn; định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt; Các phương trình cơ bản tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 8 - TS. Lê Xuân Tuấn

MỤC LỤC 1 Chương 8. Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt Mở đầu 8.1. Truyền nhiệt 8.1.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng 1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp 2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 8.1.2. Truyền nhiệt qua vách trụ 1. Vách trụ một lớp 2. Vách trụ nhiều lớp 8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh 8.1.4. Tăng cường truyền nhiệt 8.1.5. Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn 1 MỤC LỤC 2 8.2. Thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 1. Định nghĩa 2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 8.2.2. Các phương trình cơ bản tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn 1. Phương trình truyền nhiệt 2. Phương trình cân bằng nhiệt 8.2.3. Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình 8.2.4. Tính nhiệt độ cuối của các chất tải nhiệt 2 1
Chương 8. Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt 3 Các phương thức trao đổi nhiệt cơ bản Dẫn nhiệt TĐN đối lưu Bức xạ 𝛿 q=- 𝝀 𝒅𝒕 q = 𝛼(tw – tf), (W/m2) q12 =𝜀hdC0 ( $! )4 − ( $" )4 𝒅𝒙 𝑸 %&& %&& x = 0, t = tw1 𝜶= x = 𝛿, t = tw2 F(tw − tf) 3 8.1. TRUYỀN NHIỆT 4 8.1. TRUYỀN NHIỆT Trao đổi nhiệt phức hợp - Khái niệm: Là quá trình/hiện tượng trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời các dạng trao đổi nhiệt cơ bản: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ. 4 2
8.1. TRUYỀN NHIỆT (TIẾP THEO) 5 - Ví dụ: Xét quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất khí: t thấp T𝑤 + Mật độ dòng nhiệt: q = qđl + qbx qđl = 𝛼đl(Tw – Tf) T𝑓 " " qbx =𝜀qdC0 ( #$$ )4 − ( #$$ )4 ! " Khi coi trao đổi nhiệt đối lưu là chủ yếu: % % q = 𝛼(Tw – Tf) = 𝛼đl(Tw – Tf) + 𝜀qdC0 ( #$$ )4 − ( #$$ )4 ! " !# !$ C0 ("##)4 − ("##)4 ↔ 𝛼(Tw – Tf) = 𝛼đl + 𝜀qd (Tw – Tf) (Tw – Tf) !# !$ C0 ("##)4 − ("##)4 𝛼 = 𝛼đl + 𝛼bx 𝛼bx = 𝜀qd (Tw – Tf) 5 8.1. TRUYỀN NHIỆT (TIẾP THEO) 6 - Như vậy, nếu coi hiện tượng trao đổi nhiệt đối lưu là chủ yếu thì công thức tính toán có dạng công thức Newton và hệ số toả nhiệt là hệ số toả nhiệt hỗn hợp có dạng như sau: 𝛼 = 𝛼đl + 𝛼bx - Trường hợp chất lỏng giọt bao quanh bề mặt vật rắn, nói chung trao đổi nhiệt bức xạ có thể bỏ qua: 𝛼bx = 0, 𝛼 = 𝛼đl F Quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp thường gặp là quá trình truyền nhiệt. F Khi nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp cần chú ý xác định hình thức trao đổi nhiệt nào là chủ yếu, ảnh hưởng của các hình thức trao đổi nhiệt khác có kể đến bằng cách đưa thêm các hệ số hiệu chỉnh. 6 3
8.1. TRUYỀN NHIỆT (TIẾP THEO) 7 - Truyền nhiệt qua vách được thực hiện qua các quá trình sau: + Trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cao với bề qa1 qw qa2 mặt vách ngăn cách được thực a1 hiện bằng đối lưu; + Dẫn nhiệt qua bề mặt vách ngăn cách; + Trao đổi nhiệt giữa bề mặt vách và môi trường có nhiệt độ a2 thấp được thực hiện bằng đối lưu; 7 8.1. TRUYỀN NHIỆT (TIẾP THEO) 8 - Tuỳ theo dạng bề mặt vách ngăn cách ta có truyền nhiệt qua vách phẳng, vách trụ và vách có cánh. Vách phẳng Vách trụ Vách có cánh 8 4
8.1.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng 9 - Vách phẳng rộng vô hạn là vách phẳng có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với hai chiều còn lại. Ví dụ: vách kho lạnh, như vậy nếu có một độ chênh nhiệt độ giữa hai mặt thì dòng nhiệt chỉ truyền từ mặt này sang mặt kia theo một chiều. 9 1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp 10 Bài toán: a1 - Vách phẳng chiều dày: d; l - Vật liệu đồng chất và đẳng hướng có hệ số dẫn nhiệt: l; - Nhiệt độ các môi trường tương ứng: tf1, tf2 (với tf1 > tf2) a2 - Hệ số tỏa nhiệt tương ứng: a1, a2 d F Cần xác định q, tw1, tw2? 10 5
1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp (Tiếp theo) 11 Môi trường 1 và Bề mặt vách 1 và Bề mặt vách 2 và bề mặt vách 1 bề mặt vách 2 Môi trường 2 F F F - Mật độ dòng nhiệt do - Mật độ dòng nhiệt - Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt giữa môi do trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt giữa bề trường có nhiệt độ cao giữa hai bề mặt mặt vách và môi với bề mặt vách ngăn vách ngăn cách trường có nhiệt độ thấp cách được thực hiện được thực hiện được thực hiện bằng bằng đối lưu: bằng dẫn nhiệt: đối lưu: + 𝑞 𝛼 = 𝛼% . (𝑡)% − 𝑡*% ) 𝑞 𝑤 = . (𝑡*% − 𝑡*- ) 𝑞 𝛼 = 𝛼- . (𝑡*- − 𝑡)- ) , " ! F Vì dẫn nhiệt ổn định và một chiều nên q 𝛼 = q 𝑤 = q 𝛼 = q % & 11 1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp (Tiếp theo) 12 # q = α#. (t '# − t (#) → t '# − t (# = q) " * + q = . (t (# − t (,) → t (# − t (,= q + * # q = α,. (t (, − t ',) → t (, − t ',= q) & Cộng hai vế các phương trình ta có: F # + t '# − t ',= q() + * + ) ) " # & 𝑡)% − 𝑡)- 𝑊 𝑞= , - 1 𝛿 1 𝑚 + + 𝛼% 𝜆 𝛼- F Chúng ta liên tưởng tới định luật Omh: Hiệu điện thế là nguyên nhân gây ra dòng điện, điện trở cản trở dòng điện. Ở đây hiệu nhiệt độ gây ra dòng nhiệt. 12 6
1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp (Tiếp theo) 13 1 𝑊 - Hệ số truyền nhiệt: 𝑘= , - 1 𝛿 1 𝑚 . 𝐾 + + 𝛼% 𝜆 𝛼- 𝑊 𝑞 = 𝑘. (𝑡"# − 𝑡"$ ), 𝑚$ - Đại lượng nghịch đảo của hệ số truyền nhiệt gọi là nhiệt trở truyền 1 𝑚- . 𝐾 nhiệt: 𝑅= = 𝑅 𝛼 + 𝑅𝜆+ R𝛼 , 𝑘 ! " 𝑊 # 𝑅𝛼 = là nhiệt trở toả nhiệt từ môi trường 1 tới bề mặt vách 1; % -" . 𝑅 𝜆 = / là nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách; # R𝛼 = -& là nhiệt trở toả nhiệt giữa bề mặt vách 2 và môi trường 2. & 13 1. Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp (Tiếp theo) 14 - Nhiệt độ biến thiên từ môi trường có nhiệt độ cao tới bề mặt vách không a1 tuyến tính. l - Nhiệt độ biến thiên trong vách tuyến tính với hệ số góc (tw1-tw2)/d. - Nhiệt độ biến thiên từ bề mặt vách tới môi trường có nhiệt độ thấp a2 không tuyến tính. d - Từ q xác định được tw1 và tw2. F Trong thực tế người ta áp dụng bài toán này để xác định tổn thất nhiệt, xác định phân bố nhiệt độ để thiết kế kết cấu chịu nhiệt cho phù hợp. 14 7
2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 15 Bài toán ba lớp: a1 l1 l2 l3 a2 d1 d2 d3 F Cần xác định q, tw1, tw2, tw3, tw4? 15 2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp (Tiếp theo) 16 - Mật độ dòng nhiệt: a1 𝑊 𝑞 = 𝑘. (𝑡1# − 𝑡1,), , 𝑚 l1 l2 l3 a2 d1 d2 d3 - Hệ số truyền nhiệt của vách phẳng ba lớp: 1 𝑊 𝑘= , , 1 𝛿# 𝛿, 𝛿0 1 𝑚 . 𝐾 𝛼# + 𝜆# + 𝜆, + 𝜆0 + 𝛼, 16 8
2. Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp (Tiếp theo) 17 F Bài toán nhiều lớp: a1 ln l1 l2 a2 d1 d2 dn Hệ số truyền nhiệt của vách phẳng nhiều lớp: Mật độ dòng nhiệt: 1 𝑊 𝑊 𝑘= , 𝑞 = 𝑘. (𝑡1# − 𝑡1,), , 1 𝛿 1 𝑚, . 𝐾 ∑2 3 𝑚 𝛼# + # 𝜆3 + 𝛼, 17 8.1.2. Truyền nhiệt qua vách trụ 18 1. Vách trụ một lớp 18 9
1. Vách trụ một lớp (Tiếp theo) 19 Bài toán: - Đường kính trong là d1; a1 - Đường kính ngoài là d2; l - Hệ số dẫn nhiệt: l; - Môi trường 1: tf1, a1; a2 - Môi trường 2: tf2, a2; r1 - tf1 > tf2. F Cần xác định: q, tw1, tw2? r2 19 1. Vách trụ một lớp (Tiếp theo) 20 - Vì chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều dày vách nên dòng nhiệt chỉ truyền theo hướng bán kính và các mặt đẳng nhiệt là các mặt đồng tâm. - Do diện tích xung quanh vách trụ phía trong và phía ngoài khác nhau nên tính mật độ dòng nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ. - Vì dẫn nhiệt ổn định và một chiều nên qlα = ql𝑤 = qlα = ql. % & # ql = 𝛼1 𝜋d1(tf1 – tw1) → tf1 – tw1 = ql 𝛼145% 6'% 7 8'& # 5 ql = " * → 𝑡w1– tw2 = ql,4* ln 5& 9: % % &() *" # ql = 𝛼2 𝜋d2(tw2 - tf2) → tw2 - tf2 = ql 𝛼 45 2 & Cộng hai vế các phương trình: F tf1 – tf2 = ql( 𝛼 # + ,4* ln 5& + 𝛼 # ) 45% # 5% 1 245& 20 10
1. Vách trụ một lớp (Tiếp theo) 21 Hệ số truyền nhiệt: # kl = " " * " a1 𝛼 ; 9: % ; 𝛼2+*% 1+*& &+, *& Mật độ dòng nhiệt: < ql = kl(tf1 – tf2); = a2 Nhiệt trở truyền nhiệt: r1 ) # =. @ Rl = ; >( < r2 21 2. Vách trụ nhiều lớp 22 22 11
2. Vách trụ nhiều lớp (Tiếp theo) 23 - Mật độ dòng nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ là: < ql = kl(tf1 – tf2); = a1 # kl = " " *(/0") " ; ∑- " , &+9: * ; 𝛼1 +*& ' ' 𝛼2+*(-0") a2 # =.)@ Rl = ; r1 >( < r2 Nhiệt độ của bề mặt vách trụ r3 tiếp xúc với các môi trường: # # tw1 = tf1 - ql 𝛼 45 tw(n+1) = tf2 + ql 𝛼 45 1 % 2 (-0") 23 8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh 24 24 12
8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh (Tiếp theo) 25 25 8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh (Tiếp theo) tw2 26 Bài toán: - Cánh có hệ số dẫn nhiệt: l; - Chiều dày vách là d; a2 F2 - Diện tích vách phẳng: F1; a1 l - Diện tích vách làm cánh: F2; tf1 F1 - Môi trường 1: tf1, a1; b tw1 - Môi trường 2: tf2, a2; tf2 d l - tf1 > tf2. F Cần xác định: Q, tw1, tw2? 26 13
8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh (Tiếp theo) 27 Dòng nhiệt truyền qua vách được xác định như sau: # Q = 𝛼1F1(tf1 – tw1) → tf1 – tw1 = Q 𝛼 F 1 1 / . Q = .F1(tw1 – tw2) → tw1 – tw2 = Q /B% # Q = 𝛼2F2(tw2 – tf2) → tw2 – tf2 = Q 𝛼 F 2 2 Cộng hai vế các phương trình ta có: FQ= " ; )3 ; # 2 " (tf1 – tf2) 𝛼1F1 & 𝛼2F2 27 8.1.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh (Tiếp theo) 28 F kc - Hệ số truyền nhiệt của vách có cánh: kc = " # 2 ; )3 ; " 𝛼1F1 & 𝛼2F2 Q = kc(tf1 − tf2) 6 Mật độ dòng nhiệt phía không làm tw1 = tf1 - Q7 8 cánh q1: F ! ( 6 tw2 = tf2 - Q7 8 " " C # q1 = D% = " 2 "5 (tf1 − tf2) ; ; 4 5& 4& ) % % Mật độ dòng nhiệt phía bề mặt làm cánh q2: C # q2 = = (tf1 tf2) % D& " 25 ; %; " 5% 4% )5& 4&5& − F tw1 = tf1 – q1 7! D& % : Hệ số làm cánh; tw2 = tf2 – q2 D% 7" 28 14
8.1.4. Tăng cường truyền nhiệt 29 - Dựa vào các dạng trao đổi nhiệt cơ bản để tìm ra biện pháp tối ưu; - Tăng cường dẫn nhiệt: + Giảm chiều dày vách; + Dùng vật liệu có l lớn; F - Tăng cường trao đổi nhiệt đối lưu: + Tăng nhiễu loạn của chuyển động; + Tăng tốc độ … - Tăng cường trao đổi nhiệt bức xạ: + Tăng độ đen; + Tăng nhiệt độ của các vật; 29 8.1.4. Tăng cường truyền nhiệt (Tiếp theo) 30 - Khi đồng thời xảy ra các dạng trao đổi nhiệt cơ bản, việc tăng cường truyền nhiệt một cách hiệu quả là một vấn đề phức tạp. Q = kF∆t Tăng Q ☞ ☞ ☞ Tăng k: Tăng F: Tăng ∆t: Thành phần - Chi phí đầu tư? Giới hạn bởi nào ảnh hưởng - Diện tích lắp đặt? thông số công tới k? nghệ? F Cần phân tích từng trường hợp cụ thể. 30 15
8.1.4. Tăng cường truyền nhiệt (Tiếp theo) 31 - Ví dụ: cần tăng cường truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp. 1 𝑊 𝑘= , , 1 𝛿 1 𝑚 . 𝐾 + + 𝛼# 𝜆 𝛼, Tăng k bằng cách tăng 𝛼#, 𝛼,, 𝜆 và giảm 𝛿 F Tăng giá trị nào? . # -" -& Nếu bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt / thì: 𝑘 = " " =- ; " ; -& 4" 4& Giả sử 𝛼,>> 𝛼# khi đó k = 𝛼#. Như vậy, k chỉ có thể nhỏ hơn hay bằng hệ số toả nhiệt nhỏ nhất. F Tăng cường hệ số toả nhiệt ở phía vách có giá trị nhỏ nhất hoặc làm cánh về phía bề mặt này. 31 8.1.4. Tăng cường truyền nhiệt (Tiếp theo) 32 32 16
8.1.5. Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn 33 F Cần giảm mật độ dòng nhiệt hay dòng nhiệt: Cách nhiệt; F Thêm vào các lớp có l nhỏ như: Stirofo, amiang, PU, bông thuỷ tinh… 33 8.1.5. Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn 34 - Đối với vách phẳng: Thêm lớp cách nhiệt vào thì nhiệt trở toàn phần tăng. - Đối với vách trụ: Khi thêm lớp cách nhiệt có thể làm giảm nhiệt trở toàn phần. Vì nhiệt trở dẫn nhiệt tăng nhưng nhiệt trở toả nhiệt lại giảm. F F Cần phải xét mối quan hệ giữa nhiệt trở toàn phần và dcn. 34 17
8.1.5. Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn (Tiếp theo) 35 - Nhiệt trở toàn phần: # # 5 # 5 # Rl = 𝛼 45 + *,4 ln 5& + * ,4 ln 5*+ + 𝛼 45 1 % % *+ & 2 & Đạo hàm nhiệt trở theo đường kính cách nhiệt: 5(F() # # 5(5*+) =* ,45*+ - 𝛼 45& *+ 2 9- 5(F9) Nhiệt trở toàn phần nhỏ nhất khi: 5(5H:) = 0 # # ↔ **+,45*+ - 𝛼 45& = 0 2 9- F Đường kính cách nhiệt ứng với Rl nhỏ nhất gọi là đường kính cách ,**+ nhiệt tới hạn dth: dth = 𝛼2 35 8.1.5. Cách nhiệt – Đường kính cách nhiệt tới hạn (Tiếp theo) 36 - Ứng với dth thì tổn thất nhiệt là lớn nhất F Cách nhiệt: dcn > dth khi chọn lcn để d2 > dth thì việc bọc cách nhiệt mới dẫn đến giảm ql. F Chọn vật liệu cách nhiệt đảm bảo: 𝛼25 𝜆cn ≤ 2 & F Khi bọc cách nhiệt cần tính toán chiều dầy cách nhiệt hợp lý để đảm bảo giảm tổn thất và tối ưu chi phí đầu tư. 36 18
8.2. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 37 8.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt - Là thiết bị thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa hai chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau. - Phân loại các thiết bị trao đổi nhiệt: + Kiểu vách ngăn: + Kiểu hồi nhiệt: + Kiểu ống nhiệt: + Kiểu hỗn hợp: 37 8.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt (Tiếp theo) 38 + Kiểu vách ngăn: 38 19
8.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt (Tiếp theo) 39 + Kiểu hồi nhiệt: 39 8.2.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt (Tiếp theo) 40 + Kiểu ống nhiệt: 40 20