Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt: Truyền nhiệt docx

Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm Chương 1: Truyền nhiệt • Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp • Quá trình tru

1

Các quá trình truyền nhiệt

GV: TS Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm

Chương 1: Truyền nhiệt

•  Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ

nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

•  Quá trình truyền nhiệt

- Thiết bị làm việc gián đoạn

- Giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục

2

•  Nội năng (U) = Nội động năng + Nội thế năng

•  Entanpi

đối với 1 kg môi chất

đối với G kg môi chất

•  Entropi, s (kJ): là thông số trạng thái đặc trưng cho quá

trình nhận/thải nhiệt

Nhiệt động kỹ thuật

e = i ! i ( 0) ! T0( s ! s0)

•  Execgi, e: là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận

được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài

Nhiệt động kỹ thuật

i: entanpi ở trạng thái cần xác định

io: entanpi ở trạng thái cân bằng

s: entropi ở trạng thái cần xác định

so: entropi ở trạng thái cân bằng

To: nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái cân bằng

3

•  Execgi, e: là năng lượng có ích tối đa mà môi chất có thể nhận

được để tiến đến trạng thái cân bằng với môi trường bên ngoài

• Nhiệt lượng là năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa

môi chất và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ Đơn vị: kJ, kcal,

• Công Công thay đổi thể tích (công dãn nở), Công kỹ thuật

Nhiệt dung riêng ‘c’ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ

của một đơn vị môi chất tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào đó

Nhiệt động kỹ thuật

Nhiệt dung riêng ‘c’ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ

của một đơn vị môi chất tăng thêm 1 độ theo một quá trình nào đó

Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng

4

Nhiệt động kỹ thuật

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi Entropi

Nhiệt động kỹ thuật

Công thay đổi thể tích

5

Công thay kỹ thuật

Nhiệt động kỹ thuật

Định luật nhiệt động thứ nhất

7

Định luật nhiệt động thứ hai

Nhiệt động kỹ thuật

Định luật nhiệt động thứ hai

8

Nhiệt động kỹ thuật

Chu trình thuận chiều

Nhiệt động kỹ thuật

Chu trình thuận chiều

9

Chu trình ngược chiều

Nhiệt động kỹ thuật

Chu trình ngược chiều

10

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 : Qua 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 đố 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

Hầu hết kim loại là các vật liệu dẫn nhiệt tốt, các loại nhựa là

các vật liệu cách nhiệt tốt

Các electron tự do tạo nên khả năng dẫn nhiệt tốt ở các kim

loại

11

Đối lưu

Dòng đối lưu được hình

thành khi trong nồi có

nước được đun nóng

Dòng không khí đối lưu hình thành do chênh lệch nhiệt độ giữa đại dương và lục địa

12

Tại sao bộ phận sưởi được đặt dưới sàn, còn giàn lạnh của tủ lạnh

được đặt phía trên?

13

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)

( x y z )

f

t!= , , t =! f ( x , z y , , τ )

Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau

1.1.1 KHÁI NIỆM

1.1 Dẫn nhiệt

1.1.1 KHÁI NIỆM

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

Grad t là vector

- Có phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt

-  Chiều tùng với chiều tăng nhiệt độ (ngược chiều với dòng nhiệt)

-  Có độ lớn bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương pháp tuyến

( ) t

grad dn

dt

→

Δ lim 0

14

1.1 Dẫn nhiệt

J d dF dn

dt

dQ = − λ ⋅ ⋅ τ ,

W F dn

dt

Q = − λ ⋅ ,

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 dτ thì tỉ lệ với gradt, bề mặt dF

và thời gian dτ

Quá trình ổn định:

Q: nhiệt lượng, W F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m 2

Gradt, °C/m

τ: Thời gian, s

λ : độ dẫn nhiệt, w/m °C

dn dt

-  Độ dẫn nhiệt thường được xác định bằng thực nghiệm

-  Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí nhỏ hơn chất rắn

15

1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT

- Lượng nhiệt dẫn qua các mặt

đi vào hình hộp trong khoảng

thời gian dτ được xác định

theo pt Fourrier

- Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp:

16

1.1 Dẫn nhiệt

τ λ

τ

λ dxdydzd

x

t x

τ

y

t y

τ

z

t z

t Q

1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT

- Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp:

τ

λ dxdydzd z

t Q

17

z y

x dQ dQ dQ

t x

∂

∂ +

∂

∂

2 2

2 2

2

1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT

- Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp:

ρ dV t d C

1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT

- 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:

C: Nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.độ ρ: Khối lượng riêng của vật thể, kg/m3 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian

- Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất tĩnh/Phương

trình vi phân dẫn nhiệt Fourrier

t a

λ

C

a =

1.1.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT

- Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất đối với quá

22

2

=

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

z

t y

t x

x C C

t = 2 + 1

1

C x

2

T T

T t x t

t

δ

19

J dFd t

t

τ δ

1

1 1

Lớp cuối cùng

Hoặc (t t )F W

Q n

i i i

T

T ,

1

2 1

20

1.1 Dẫn nhiệt

J rLd dr

dt

dQ = − λ 2 π τ ,

W rL dr

Lượng nhiệt dẫn qua lớp tường ống (theo Fourier)

Dẫn nhiệt ổn định

W dt Q

rL r

dt Q

L r

L r

Tích phân từ r1 tới r2 và theo nhiệt độ từ tT1 đến tT2

r r

t t L

lg3,212

1 2

2 1

⋅

−

=

λ π

Phương trình dẫn nhiệt qua tường trụ một lớp trong trạng thái ổn định

21

( ) W

r r

t t

L Q

n i

i

i i

T T

, lg

3 , 2 1

2

1

1

2 1

1.1.4 DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG

Tường ống nhiều lớp

Dùng phương trình tường phẳng

21

r r