Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

Chia sẻ: Nguyễn Thành Chung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

241
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm giúp các bạn chuyên ngành Hóa dầu có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu "Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt" dưới đây. Nội dung tài liệu trình bày về quá trình truyền nhiệt, đun nóng, làm mát, ngưng tụ, cô đặc, quá trình lạnh.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

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. 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. 1
- 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. 2
1.1. Dẫn nhiệt 1.1.1. Khái niệm Nhiệt trường: tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể hoặc của môi trường được gọi là nhiệt trường (trường nhiệt độ) Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường không ổn định t = f (x,y,z) t = f (x,y,z,) Mặt đẳng nhiệt: tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau Gradient nhiệt độ (Grad t): sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt 𝑑𝑡 lim = 𝑔𝑟𝑎𝑑(𝑡) 𝑛0 𝑑𝑛 Grad t là vector (hình 1.1) Hình 1.1. Grad t - Có phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt. - Chiều trùng với chiều tăng nhiệt độ (ngược chiều với dòng nhiệt). - Có độ lớn bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương pháp tuyến. 1.1.2. Định luật dẫn nhiệt Fourier và độ dẫn nhiệt Định luật Fourier: Nguyên tố nhiệt lượng dQ dẫn qua một đơn vị bề mặt dF trong một đơn vị thời gian d thì tỉ lệ với grad t, bề mặt dF và thời gian d 𝑑𝑡 dQ = -. 𝑑𝐹. 𝑑 , 𝐽 𝑑𝑛 Q: nhiệt lượng, W F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2. 𝑑𝑡 gradt, oC/m. 𝑑𝑛 - Quá trình ổn định: 𝑑𝑡 𝑄 = −𝜆. 𝑑𝐹 , 𝑊 𝑑𝑛 : thời gian, s : độ dẫn nhiệt, w/m oC Độ dẫn nhiệt  của các vật thể rắn, lỏng, khí - Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, đặc trưng cho tính chất vật lý của vật chất 3
- Độ dẫn nhiệt thường được xác định bằng thực nghiệm. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí nhỏ hơn chất rắn. - Độ dẫn nhiệt phụ thuộc:  Cấu trúc.  Khối lượng riêng.  Hàm ẩm.  Nhiệt độ. 1.1.3. Phương trình vi phân dẫn nhiệt Giả thiết: các tính chất vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) không đổi theo không gian và thời gian. Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi vào hình hộp trong khoảng thời gian d được xác định theo phương trình Fourier 𝑡 Qx = -. 𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝑥 𝑡 Qy = -. 𝑑𝑥𝑑𝑧𝑑 𝑦 𝑡 Qz = -. 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑 𝑧 Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: 𝑡  𝑡 Qx+dx = -. 𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 - -.  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝑥 𝑥 𝑥 𝑡  𝑡 Qy+dy = -. 𝑑𝑥𝑑𝑧𝑑 - -.  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝑦 𝑦 𝑦 𝑡  𝑡 Qz+dz = -. 𝑑𝑦𝑑𝑥𝑑 - -.  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝑧 𝑧 𝑧 4
Hiệu số lượng đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp: 𝜕2 𝑡 dQx = Qx+dx – Qx =  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝜕𝑥 2 𝜕2 𝑡 dQx = Qx+dx – Qx =  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝜕𝑥 2 𝜕2 𝑡 dQx = Qx+dx – Qx =  𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝜕𝑥 2 dQ = dQx + dQy + dQz 𝜕2 𝑡 𝜕2 𝑡 𝜕2 𝑡 dQ = ( 2 + 2 + ) 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧𝑑 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 2 dQ = 2t.dV.d Theo định luật bảo toàn năng lượng, lượng nhiệt tăng thêm phải bằng lượng nhiệt tiêu hao để làm biến đổi nhiệt lượng riêng trong hình hộp: 𝜕𝑡 dQ = C..dV. d 𝜕 C: Nhiệt dung riêng của vật thể,J/kg.độ. : Khối lượng riêng của vật thể, kg/m3 𝜕𝑡 d: Biến thiên nhiệt độ theo thời gian. 𝜕 Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất tĩnh: 𝜕𝑡 𝜕𝑡  C = 2t = a2t a= 𝜕 𝜕 C Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất với quá trình ổn định: 𝜕2 𝑡 𝜕2 𝑡 𝜕2 𝑡 2t = 0 hoặc: 2 + 2 + =0 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 2 1.1.4 Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng  Tường phẳng một lớp: 𝜕2 𝑡 =0 𝜕𝑥 2 𝑡 =0 𝜕𝑥 t = C2 + C1x Hình 1.2. Dẫn nhiệt qua tường phẳng 5
Điều kiện biên: x=0 t = tT1 = C2 𝑡𝑇2 − 𝑡𝑇1 x =  t = tT2 = C1 + tT1 hay C1 =  𝑡𝑇2 − 𝑡𝑇1  t= 𝑥 + 𝑡𝑇2  𝜕𝑡 𝑡𝑇2 − 𝑡𝑇1  = 𝜕𝑥  𝑡𝑇2 − 𝑡𝑇1  dQ = - 𝑑𝐹𝑑, 𝐽  Với quá trình ổn định : 𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2 Q= 𝐹, 𝑊   Tường phẳng nhiều lớp : 1 Lớp thứ nhất Q= (𝑡𝑇1 – 𝑡1 )𝐹 1 2 Lớp thứ hai Q= (𝑡1 – 𝑡2 )𝐹 2 𝑛 Lớp cuối cùng Q= (𝑡𝑛 – 𝑡 𝑇2 )𝐹 𝑛 (𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2 )𝐹 Hoặc : Q = 𝑖 ∑𝑛 𝑖=1 𝑖 Hình 1.3. Dẫn nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp.  Tường ống một lớp : Phương trình dẫn nhiệt qua tường ống một lớp trong trạng thái ổn định : 2𝐿(𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2 ) Q= 1 𝑟 ,W 2,3.log 2  𝑟1 Hình 1.4. Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp  Tường ống nhiều lớp : 2𝐿(𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2 ) Q= 1 𝑟 ,W ∑𝑛 𝑖+1 𝑖=12,3.log 𝑟 𝑖 𝑟2 𝑟1  2 dùng phương trình tường phẳng. 6
1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp, để đơn giản hóa, người ta dùng định luật cấp nhiệt của Newton: Lượng nhiệt dQ do một phân tố bề mặt dF của vật rắn cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian d thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường, với dF và d dQ = (tT – t)dFd Với quá trình ổn định : Q = (tT – t)F, W Hệ số cấp nhiệt : là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian một giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hoặc ngược lại) là 1 độ. 𝑄 𝑊 [] = [ ] = [ 2𝑜 ] (𝑡𝑇 − 𝑡)𝐹 𝑚 𝐶 Hệ số cấp nhiệt  là một đại lượng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi). - Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt. - Tính chất vật lý của chất tải nhiệt. - Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt… 1.2.2 Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu Chỉ áp dụng với quá trình truyền nhiệt ổn định : 𝜕𝑡 𝜕𝑡 𝜕𝑡 dQ = Cp{𝑊𝑥 + 𝑊𝑦 + 𝑊𝑧 } 𝑑𝑉 = (2 𝑡)𝑑𝑉 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 Rút ra phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier – Kirchhoff : 𝜕𝑡 𝜕𝑡 𝜕𝑡  Cp{𝑊𝑥 + 𝑊𝑦 + 𝑊𝑧 } = (2 𝑡); (2 𝑡) 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝐶𝑝  1.2.3 Đồng dạng của các quá trình nhiệt Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình : - Phương trình vi phân cân bằng của Ơ-le. - Phương trình dòng liên tục. - Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier – Kirchhoff. 7
Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển phương trình vi phân thành phương trình chuẩn số. Chuẩn số Nuxen: 𝑙  = 𝑁𝑢  Đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới. Chuẩn số Pecle: 𝑤𝑙 = 𝑃𝑒 𝑎 Được rút ra từ phương trình Fourier – Kirchhoff. Ngoài các chuẩn số trên, từ các phương trình chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr, Re nên có thể biểu diễn : F(Nu, Pe, Eu, Pr, Re) = 0 Trong khi : Eu = f(Re) Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường: 𝑤𝑙 𝑃𝑒 𝑎   𝐶𝑝 Pr = = 𝑤𝑙 = =  = 𝑅𝑒 𝑎    Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile: 𝑔𝑙 𝑤𝑙 𝑔𝑙3 Ga = Fr.Re2 = ( )= 𝑤 2   Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên : 𝑔𝑙3 Gr =  𝑡 Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số là: F(Nu, Pe, Eu, Pr, Re) = 0  Nu = f’(Re, Pr, Gr) Dạng cụ thể ở dạng hàm số mũ : Nu = C RekPrmGrn Hệ số  được xác định theo quan hệ :   = C (𝑅𝑒 𝑘 𝑃𝑟 𝑚 𝐺𝑟 𝑛 ) 𝑙 Hệ số cấp nhiệt  chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt. 8
1.3 Nhiệt bức xạ 1.3.1 Khái niệm cơ bản Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt. Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể : - Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ năng lượng. - Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng trắng ( = 0,4 - 400m). - Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác, bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt. - Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc : bản chất, trạng thái bề mặt, hình dạng, kích thước…của vật phát và vật thu. - Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng :  Biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát)  Biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu). Q = Q A + QR + Q D 𝑄𝐴 𝑄𝑅 𝑄𝐷 + + =1 𝑄 𝑄 𝑄 𝑄𝐴 = 𝐴 hệ số hấp phụ 𝑄 A = 1 : vật đen tuyệt đối 𝑄𝑅 =𝑅 hệ số phản xạ D = 1 : vật trong tuyệt đối 𝑄 𝑄𝐷 R = 1 : vật trắng tuyệt đối =𝐷 hệ số khúc xạ 𝑄 D = 0 : vật xám đục Dòng bức xạ Q (W) : lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng, trong một đơn vị thời gian Bức xạ đơn : lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp  + d. Năng suất bức xạ (E, W/m2) : dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ : 𝑑𝑄 E= 𝑊/𝑚2 𝑑𝐹 Khả năng bức xạ : tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER) 9
EHD = ER + E = (1-A)Et Bức xạ hiệu quả (q,W/m2) : lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh tính trên một m2 Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường : q = EA – E = A.Et - E Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường : q= E – EA = E – A.Et Tổng quát : 𝐸 1 Dấu + : vật nhận nhiệt từ môi trường EHD = 𝐴  𝑞 (𝐴 − 1) Dấu - : vật tỏa nhiệt ra môi trường 1.3.2 Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt  Định luật Planck  maxT = 2,898.10-3 moK Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 - 100m E(,T) = E0(, T)  Định luật Stefan – Boltzmann 𝑻 𝟒 E0 = K0T4 = C0( ) 𝟏𝟎𝟎 𝑊 C0 = K0.108 = 5,7 𝑚 2 (𝐾)4 𝑊 K0 = 5,7.10-8 𝑚 2 (𝐾)4 Với vật xám : 𝑇 4 𝑇 4 E = E0 = C0( ) = 𝐶( ) 100 100  Định luật Kirchnoff: tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ. 𝐸(𝑇) = 𝐸(𝑇) 𝐴(𝑇) Với bức xạ đơn sắc : 𝐸(𝑇) = 𝐸0 (𝑇) 𝐴(𝑇) 10
1.3.3 Bức xạ giữa hai vật thể rắn  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau : Q1-2 = EHD1 – EHD2 = q1 = q2 𝑇1 4 𝑇2 4 Q1-2 = C1-2([ ] − [ ] ) 100 100  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau : 𝑇1 4 𝑇2 4 Q1-2 = C1-2([ ] − [ ] ) 100 100 Với : F1 : bề mặt vật thể bị bao bọc 𝐶0 C1-2 = 1 𝐹 1 + 1 ( − 1) 𝐴1 𝐹2 𝐴2 F2 : bề mặt vật thể bao bọc  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kì trong không gian: 𝑇1 4 𝑇2 4 Q = C1-2([ ] − [ ] ) . 1−2, 𝑊 100 100 𝐴1 𝐴2 Với: C1-2 = 𝐶𝑜 1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc số liệu thực nghiệm. 𝐹 cos 1 cos 2 1-2 = ∬𝐹 2 𝑑𝐹1𝑑𝐹2 1 𝑟 1.3.4 Bức xạ nhiệt của chất khí Cường độ bức xạ của chất lỏng gần bằng cường độ bức xạ của chất rắn, nhưng thường bị bỏ qua do nó lớn không đáng kể so với toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt đối lưu Phần lớn các chất khí (một nguyên tử và hai nguyên tử) là chất trong suốt với các tia nhiệt. Các chất khí khác (CO2, SO2, H2O, NH3…) có tính chất bức xạ và hấp thụ các tia nhiệt trong khoảng bước sóng nhất định Quá trình hấp thụ và bức xạ nhiệt xảy ra trong toàn bộ thể tích khí Có thể coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan – Bolztmann: 𝑇 4 Q = KC0[ ] 100 11
1.4. Truyền nhiệt 1.4.1. Trao đổi nhiệt phức tạp Việc vận chuyển nhiệt lượng được xảy ra đồng thời theo ba phương thức: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu. Quá trình trao đổi nhiệt như vậy gọi là trao đổi nhiệt phức tạp. Ví dụ: sự trao đổi nhiệt giữa vật thể rắn và môi trường khí. Quá trình này gồm cả đối lưu và bức xạ. 1.4.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống Truyền nhiệt: quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác (cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt) Truyền nhiệt đẳng nhiệt: xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo cả vị trí và thời gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian. Truyền nhiệt biến nhiệt: xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của lưu thể có thay đổi trong thời gian làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có thay đổi: - Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi trong không gian. Chỉ xảy ra với các qúa trình làm việc liên tục - Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có biến đổi theo cả vị trí và thời gian. Chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn.  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng: Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể mát gồm ba giai đoạn: - Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến bề mặt tường (cấp nhiệt). - Nhiệt dẫn qua tường (dẫn nhiệt). - Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể mát (cấp nhiệt). 1  1 Q( + + ) = 𝐹(𝑡1 − 𝑡2 ) 1  2 1  Q= 1  1 . 𝐹. ( 𝑡1 − 𝑡2) ( + +  ) 1 2 Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu thể nóng đến lưu thể mát qua 1m2 bề mặt tường phân cách khi hiệu số nhiệu độ giữa hai lưu thể là 1 độ. 12
Hình 1.5. Truyền nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp: 1 𝑊 𝐾= 1 𝑖 1 , ( + ∑𝑛 + ) 𝑚2 độ 1 𝑖=1 2 𝑖  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống Vùng I: cấp nhiệt từ 𝑄 lưu thể nóng đến Q = 1.(t1 – tT1)2r1L t1 – tT1 = 1 2𝑟1 𝐿 tường. 2𝐿(𝑡𝑇1 − 𝑡𝑇2 ) 1 𝑟 Q= 𝑄 2,3. log 2 Vùng II: dẫn nhiệt 1 𝑟2  𝑟1 2,3.log 𝑡 𝑇1 − 𝑡 𝑇2 = qua tường  𝑟1 2 𝐿 Vùng III: cấp nhiệt 𝑄 đối lưu từ tường đến Q = 2(tT2 – t2)2r2 tT2 – t2 = 2 𝐿2𝑟2 lưu thể lạnh 13
𝑄 𝑡1 − 𝑡2 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 Q = KT(t1 – t2)2L 1  𝐾= 2𝐿𝑅 1 𝐾𝑇 = 1 1 𝑟2 1 1 𝑟1+ 2,3𝑙𝑔𝑟1+ 2𝑟2 Hình 1.6. Truyền nhiệt qua tường ống 1.4.3 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian (tương ứng từng vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có giá trị khác nhau) Không thể tính lượng nhiệt truyền đi với t = t1- t2 như trong truyền nhiệt đẳng nhiệt mà phải tính theo nhiệt độ trung bình ttb  Chiều chuyển động của lưu thể: - Lưu thể nóng giảm nhiệt độ từ t1d đến nhiệt độ cuối t1c. - Lưu thể mát tăng nhiệt độ từ t2d đến nhiệt độ cuối t2c Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi từ trị số đầu td đến trị số cuối tc  Hiệu số nhiệt độ trung bình - Chảy xuôi chiều: Vì hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi theo vị trí nên ta phải nghiên cứu hiện tượng truyền nhiệt qua một nguyên tố bề mặt rất nhỏ dF để hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt lưu thể thay đổi không đáng kể. Lượng nhiệt truyền qua một nguyên tố bề mặt dF: dQ = K(t1 – t2)dF, W Đối với lưu thể nóng: 14
dQ = -G1C1dt1 Đối với lưu thể mát: dQ = G2C2dt2 ∆𝑡𝑑 − ∆𝑡𝑐 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Q = KF ∆𝑡 𝑙𝑛 𝑑 ∆𝑡𝑐 Q = KFttb ∆𝑡𝑑 ∆𝑡𝑑 + ∆𝑡𝑐  2: ttb = ∆𝑡𝑐 2 ∆𝑡𝑑 − ∆𝑡𝑐 - Chảy ngược chiều: ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝑑 𝑙𝑛 ∆𝑡𝑐 Lấy hiệu số nhiệt độ nào lớn hơn làm hiệu số nhiệt độ đầu td và hiệu số nhiệt độ nào nhỏ hơn làm hiệu số nhiệt độ cuối tc. - Chảy chéo dòng: ∆𝑡𝑑 − ∆𝑡𝑐 ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡 ∆𝑡 𝑙𝑛 𝑑 ∆𝑡𝑐 Hệ số t phụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của các chất tải nhiệt. 15
2. Đun nóng – Làm mát - Ngưng tụ 2.1. Đun nóng 2.1.1. Nguồn nhiệt và phương pháp đun nóng i) Nguồn nhiệt - Nguồn nhiệt trực tiếp: khói lò, dòng điện. - Chất tải nhiệt trung gian (lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng): hơi nước, hơi nước quá nhiệt, dầu khoáng, các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó và một số kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái lỏng. - Nhiệt của các khí thải hoặc chất lỏng thải có nhiệt độ cao. Tiêu chí lựa chọn chất tải nhiệt : - Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ. - Áp suất hơi bão hoà và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ. - Độ độc và tính hoạt động hoá học. - Độ an toàn khi đun nóng (không cháy , nổ v.v..). - Rẻ và dễ tìm. ii) Các phương pháp đun nóng.  Đun nóng bằng hơi nước bão hòa  Ưu điểm: - Hệ số cấp nhiệt lớn (= 10000÷15000 W/m2 độ). - Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị chất tải nhiệt). - Đun nóng được đồng đều. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng. - Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống.  Nhược điểm: - Không thể đun nóng được ở nhiệt độ cao Ví dụ hơi nước ở 350oC thì áp suất hơi bão hoà là 180 at; ở 374oC ( nhiệt độ tới hạn) áp suất là 225 at và ẩn nhiệt hoá hơi bằng 0 (r = 0).  Đun nóng bằng khói lò 16
Đun nóng bằng khói lò được dùng rất phổ biến, nhất là trong hoàn cảnh nước ta hiện nay, phương pháp này có thể đạt được tới 1000oC. Khói lò được tạo thành khi đốt cháy các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí ở trong các lò đốt  Ưu điểm: có thể tạo được nhiệt độ cao.  Nhược điểm: - Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ (không quá 100 w/m2độ) do đó thiết bị cồng kềnh - Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ - Đun nóng không được đồng đều - Khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện tượng quá nhiệt cục bộ và gây ra phản ứng phụ không cần thiết - Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu do đó khi đun nóng gián tiếp, bề mặt truyền nhiệt sẽ bị bám cặn - Khi đun nóng trực tiếp sẽ bị hạn chế: Nếu đun nóng các chất dễ cháy, dễ bay hơi thì không an toàn. - Trong khói luôn có một lượng ôxy dư, khi tiếp xúc với thiết bị sẽ ôxy hoá kim loại làm hỏng thiết bị. - Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, lớn nhất 30%.  Đun nóng bằng dòng điện  Ưu điểm: - Có thể tạo được nhiệt độ cao (tới 3200oC) mà các phương pháp khác không thực hiện được - Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng và chính xác - Hiệu suất rất cao, có thể đạt tới 95% điện tiêu hao.  Nhược điểm: - Thiết bị phức tạp. - Giá thành cao.  Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt: Khi cần đun nóng ở nhiệt độ cao hơn 180oC, dùng các chất tải nhiệt đặc biệt: - Nước quá nhiệt -  Chất lỏng có nhiệt độ sôi cao ở áp suất bão hoà nhỏ, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao - Các chất tải nhiệt hữu cơ thường dùng là diphenyl, etediphenyl, hỗn hợp diphenyl và etediphenyl, hỗn hợp các muối, các kim loại nóng chảy.v.v. 17