Các quá trình
và thiết bị truyền nhiệt
Mục lục
1. Truyền nhiệt ...................................................................................................... 1
1.1. Dẫn nhiệt .................................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm ............................................................................................ 3
1.1.2. Định luật dẫn nhiệt Fourier và độ dẫn nhiệt.......................................... 3
1.1.3. Phương trình vi phân dẫn nhiệt ............................................................ 4
1.1.4 Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng ...................................................... 5
1.2. Nhiệt đối lưu............................................................................................... 7
1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton .................................................................. 7
1.2.2 Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu ................................................. 7
1.2.3 Đồng dạng của các quá trình nhiệt ........................................................ 7
1.3 Nhiệt bức xạ ................................................................................................ 9
1.3.1 Khái niệm cơ bản .................................................................................. 9
1.3.2 Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt ................................................... 10
1.3.3 Bức xạ giữa hai vật thể rắn.................................................................. 11
1.3.4 Bức xạ nhiệt của chất khí .................................................................... 11
1.4. Truyền nhiệt ............................................................................................. 12
1.4.1. Trao đổi nhiệt phức tạp ...................................................................... 12
1.4.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống ...................... 12
1.4.3 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định .......................................................... 14
2. Đun nóng – Làm mát - Ngưng tụ .................................................................... 16
2.1. Đun nóng .................................................................................................. 16
2.1.1. Nguồn nhiệt và phương pháp đun nóng .............................................. 16
2.1.2. Đun nóng bằng hơi nước bão hòa ....................................................... 18
2.1.3. Đun nóng bằng khói lò ....................................................................... 20
2.1.4. Đun nóng bằng dòng điện .................................................................. 20
2.1.5. Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt ................................................ 22
2.2. Làm mát - ngưng tụ .................................................................................. 24
2.2.1. Làm mát............................................................................................. 24
2.2.2. Ngưng tụ ............................................................................................ 24
2.2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt ............................................................. 27
3. Cô đặc ............................................................................................................. 31
3.1 Khái niệm chung ....................................................................................... 31
3.2. Cô đặc một nồi ......................................................................................... 31
3.3. Cô đặc nhiều nồi ....................................................................................... 32
3.4. Cấu tạo thiết bị cô đặc .............................................................................. 33
4. Quá trình lạnh.................................................................................................. 38
4.1. Lạnh đông ................................................................................................ 38
4.1.1. Khái niệm cơ bản ............................................................................... 38
4.1.2. Cơ sở nhiệt động của quá trình lạnh đông .......................................... 38
4.1.3. Chu trình lý tưởng của máy lạnh nén hơi. .......................................... 39
4.1.4. Chu trình thực của máy lạnh .............................................................. 39
4.1.5.Tác nhân lạnh ..................................................................................... 40
4.1.6. Chất tải lạnh ....................................................................................... 41
4.1.7. Máy nén hai bậc. ................................................................................ 42
4.1.8. Sơ đồ làm lạnh liên hợp. .................................................................... 42
4.1.9. Máy làm lạnh kiểu hấp phụ. ............................................................... 43
4.1.10. Máy làm lạnh kiểu Tuy-e ................................................................. 43
4.1.11. Máy làm lạnh bằng không khí .......................................................... 44
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 45
1
1. Truyền nhiệt
Trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học và thực phẩm, nhiều quá trình
cần được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định thì vận tốc của quá trình và chất lượng
sản phẩm mới đảm bảo. Để giữ được nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu, trong công
nghiệp thường tiến hành các quá trình đun nóng, ngưng tụ, làm mát. Đó là các quá trình
truyền nhiệt.
Khái niệm: quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ nơi có nhiệt độ cao đến
nơi có nhiệt độ thấp. Có hai quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt ổn định và
quá trình truyền nhiệt không ổn định.
- Quá trình truyền nhiệt ổn định:
t = f (x,y,z) : chỉ có trong thiết bị làm việc liên tục.
- Quá trình truyền nhiệt không ổn định:
t = f(x,y,z,) : thiết bị làm việc gián đoạn
hoặc giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục.
Trong đó:
t - nhiệt độ
x, y, z - các thông số về không gian
- thời gian
Các phương thức truyền nhiệt:
- Dẫn nhiệt / Conduction: quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác
của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.
- Đối lưu / Convection: quá trình truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc chất
khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt,
khuấy trộn.
- Bức xạ / Radiation: quá trình truyền nhiệt dưới dạng các sóng điện từ. Nhiệt
năng biến thành các tia bức xạ rồi truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một
phần năng lượng bức xạ đó được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ lại,
và một phần xuyên qua vật thể.
Dẫn nhiệt:
- Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật
dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém được
gọi là vật cách nhiệt. Các electron tự do tạo
nên khả năng dẫn nhiệt tốt ở các kim loại.
2
- Hầu hết các kim loại là các vật liệu dẫn nhiệt tốt, các loại nhựa là vật liệu
cách nhiệt tốt.
- Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt
kém được gọi là vật cách nhiệt.
Đối lưu:
- Dòng không khí đối lưu hình thành do
chênh lệch nhiệt độ giữa đại dương và lục
địa.
- Dòng đối lưu được hình thành khi
trong nồi có nước được đun nóng.
Bức xạ:
- Năng lượng được truyền bằng các sóng điện từ.
- Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia X.
- Bước sóng phụ thuộc vào tần số bức xạ.