Đại cương về các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, Đối lưu nhiệt, Bức xạ nhiệt, Truyền nhiệt hỗn hợpBài tập chương 1 2 Các khái niệm và thông số cơ bản  Nhiệt độ temperature: đặc trưng cho mức độnó

Trang 1

1.3 Các quá trình truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, Đối lưu nhiệt, Bức xạ nhiệt, Truyền nhiệt hỗn hợp

Bài tập chương 1

2

Các khái niệm và thông số cơ bản

 Nhiệt độ (temperature): đặc trưng cho mức độnóng của nhiệt, là thông số làm cơ sở để so sánh,đánh giá mức độ nóng của vật này và vật khác

 Nhiệt dung riêng: C(J/kg.độ) hoặc (cal/kg.độ):

nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào để 1 kg vật chấtbiến thiên 1 độ

+ 1cal = 4,186 J+ 1J = 0,24 calĐơn vị khác C (j/mol.độ) hoặc (cal/mol.độ)

Cp,mol(j/mol.độ) = M.Cp,mass(j/g.độ)

 Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 đơn vịthể tích, ρ (kg/m3)

4

Các khái niệm và thông số cơ bản

Trang 2

 Áp suất (pressure): biểu thị cho lực tác dụng vuông góc lên 1 đơn vị diện tích.

+ Pa = N/m 2 = kg/m.s 2 + 1atm = 760 mmHg – áp suất khí quyển + 1at = 735 mmHg =10mH2O – áp suất kỹ thuật

 Áp suất dư: Cho biết áp suất trong hệ thống cao hơn

áp suất khí quyển: Pdư = Ptd− P kq > 0

 Áp suất chân không: Cho biết áp suất trong hệ thống thấp hơn áp suất khí quyển

+ Pdu = Ptd− P kq < 0 + Pck = -Pdư= Pkq− P td > 0

Áp kế: gauge

5

 Một số đơn vị đo theo hệ tiêu chuẩn SI

- Kích thước hình học (chiều dài, chiềurộng, chiều cao, đường kính….): Mét (m)

-Thời gian: Giây (s)

-Khối lượng: Kilogam (kg)

Truyền nhiệt không ổn định

Truyền nhiệt

ổn định

Nhiệt độ Thay đổi theo không gian

Không thay đổi theo thời gian

Nhiệt độ thay đổi

Không gian

Thời gian

Các quá trình t ruyền nhiệt

 Quá trình bất thuận nghịch

 Nhiệt truyền từ nơi nhiệt độ cao → nhiệt độ thấp

Nhiệt truyền từ vật này sang vật khác, từ không gian này sang không gian khác

8

Quá trình truyền nhiệt Dẫn nhiệt Đối lưu nhiệt Bức xạ nhiệt

Trang 3

Dẫn nhiệt

1 Dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác khi chúng tiếp xúc với nhau và có nhiệt độ khác nhau.

2 Trường nhiệt độ: là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt

độ trong vật thể hoặc môi trường tại một thời điểm τ nào đó Phân loại:

Trường nhiệt độ ổn định, t = f(x,y,z) Trường nhiệt độ không ổn định, t = f(x,y,z,τ)

Khép kín

Không cắt nhau

Không dẫn nhiệt trên 1 mặt đẳng nhiệt

Dẫn nhiệt

4 Gradient nhiệt độ: mức đo độ biến thiên nhiệt độ ở một điểm cho trước của vật thể, bằng độ biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt.

Khi gradt ≠ 0: Có hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra.

dt n

t lim 0

 



Định luật dẫn nhiệt Fourier

Theo Fourier, nhiệt lượng truyền qua mặt đẳng nhiệt

tỷ lệ gradt, diện tích bề mặt đẳng nhiệt và thời gian.

W C s m

m J dt dF.d

dQ.dn

o o

Trang 4

Định luật dẫn nhiệt Fourier

Truyền nhiệt ổn định nên không phụ thuộcthời gian

Khiđó: Q = Q’/ τ = - λ.gradt.F (W)

Trongđó: Q:nhiệt lượng (W = J/s)

gradt: Gradient nhiệt độ (độ/m)F:Diện tích mặt đẳng nhiệt (m2)λ: hệ số dẫn nhiệt hay độ dẫn nhiệt(w/m.độ)

Đặt q = Q/F (W/m2):mật độ dòng nhiệt 13

Độ dẫn nhiệt

 Độ dẫn nhiệt (hệ số dẫn nhiệt) là lượng nhiệt tính bằng J truyền đi bằng dẫn nhiệt qua 1m 2 bề mặt trong thời gian 1 giây khi chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt là 1 độ

Ký hiệu: λ – đơn vị đo: (W/m.độ)

Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật, phụ thuộc vào:

+ Cấu tạo vật chất + Khối lượng riêng + Áp suất, nhiệt độ của vật…

λ0–độ dẫn nhiệt ở 0oC

β – là hệ số nhiệt độ được xác định bằngthực nghiệm

Đối với chất lỏng có độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt

độ tăng, chỉ trừ nước và glycerin thì độ dẫn nhiệttăng khi nhiệt độ tăng

Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí rất

Các quá trình truyền nhiệt

Trang 5

Đối với chất lỏng, độ dẫn nhiệt có thể tính theocôngthức gần đúng sau:

C p: nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.K

 : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3

M:phân tử lượng của chất lỏng, g/mol hoặc kg/kmol

 :hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, có giá trị cụ thể như sau:

+ Đối với chất lỏng không kết hợp (benzen, toluen và các hydrocacbon khác) thì =4,22.10 -8

+ Đối với các chất kết hợp (như rượu, nước) thì

3 M

p C

Trong kỹ thuật, để tính toán gần đúng có thểdùng côngthức:

C,o:hằng số, phụ thuộc vào loại khí

18

2 3

0

273

T C

T

C 273

01 Amiăng vải 0,279 07 Nhôm 211

02 Amiăng sợi 0,1115 08 Đồng thanh 64

03 Gạch xây dựng 0,23250,28 09 Đồng thau 93

04 Gạch chịu lửa 1,005 10 Đồng đỏ 384

05 Gạch cách nhiệt 0,1395 11 Thép 46,5

06 Bông thủy tinh 0,0372 12 Thép không rỉ 17,5

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt được thiết lập theo định luật bảo toàn năng lượng biểu diễn quá trình nhiệt được dẫn trong vật thể với giả thiết:

+ Vật đồng chất, đẳng hướng+ Thông số vật lý là hằng số+ Vật cứng hoàn toàn+ Các phần vĩ mô của vật không có sự chuyển động tương đối với nhau

+ Vật không có nguồn nhiệt bên trong (q v=0)

20

Trang 6

Xét một phân tố hình hộp

có các cạnh dx, dy, dz được tách ra từ vật thể.

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt tăng lên trong hình hộp bằng lượng nhiệt tiêu hao làm biến đổi nhiệt lượng riêng trong hình hộp.

21

Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi vào hình hộp

trong khoảng thời gian d theo phương trình

dẫn nhiệt Fourier:

Theo trục x: nhiệt dẫn qua bề mặt dy.dz:

Theo trục y: nhiệt dẫn qua bề mặt dx.dz:

Theo trục z: nhiệt dẫn qua bề mặt dx.dy:



 dy.dz.d x

t Qz

Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra hình hộp

cũng trong khoảng thời gian d theo phương

trình dẫn nhiệt Fourier:

Theo trục x: nhiệt dẫn qua mặt dy.dz:

Theo trục y: nhiệt dẫn qua mặt dx.dz:

Theo trục z: nhiệt dẫn qua mặt dx.dy:

t

Q z dz

23

Lượng nhiệt tăng lên trong hình hộp sau

khoảng thời gian d chính bằng hiệu số giữa

lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi hình hộp:

Trong đó: toán tử Laplace

Mặt khác lượng nhiệt tiêu hao làm biến đổi nhiệt lượng riêng trong hình hộp:



 dx dy dz d

z

t y

t x

t

2 2 2 2

2 2

z

t y

t x

t t

Trang 7

C: nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.K

 : khối lượng riêng của vật thể, kg/m 3

: biến thiên nhiệt độ của vật thể trong khoảng thời gian d 

Từ (*) và (**) ta có cân bằng nhiệt lượng:

Phương trình (***) được gọi là phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier trong môi trường tĩnh

t y

t x

t t hay 0 t

2 2 2 2

2 2

Điều kiện đơn trị

Điều kiện thời gian: Cho biết sự phân bố

nhiệt độ tại thời điểm ban đầu  0 =0, t=f(x,y,z, 0 ), đây được gọi là điều kiện ban đầu

Điều kiện hình học: Cho biết hình dạng, kích

thước của vật trong đó xảy ra quá trình trao đổi nhiệt

Điều kiện vật lý: Cho biết các thông số vật lý

như khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt…

27

Điều kiện biên, Gồm 3 loại:

Điều kiện biên loại 1:

Cho biết sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật

ở thời điểm bất kỳ

Điều kiện biên loại 2:

Cho biết mật độ dòng nhiệt qua bề mặt của vật ở thời điểm bất kỳ

28

Trang 8

Điều kiện biên, Gồm 3 loại:

Điều kiện loại 3: cho biết quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt của vật với môi trường xung quanh và nhiệt độ môi trường xung

quanh.Điều kiện biên loại 3 được miêu tả bằng phương trình sau:

Điều kiện biên loại 4: bề mặt vật tiếp xúc lý tưởng với bề mặt khác

0 x T

dx

dt t

Phương trình viphân dẫn nhiệtFourier (****) códạng:

30

0 x

t2

t t



1 T 2

T t t x

d dF dn

dt dQ

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

32

ℓ h

.( t 1 t 2 F

tT1

Trang 9

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

33

Ví dụ:Tường phẳng 1 lớp là gạch thường dày200mm, kích thước 2000×3000 mm Nhiệt độ 2bêntường lần lượt là 600 oC và 50 oC Biết hệ sốdẫn nhiệt của tường là 20 W/m.K Tính nhiệtlượng truyền qua tường

Hướng dẫn:

δ = 200mm = 0,2m; ℓ×h = 2000×3000mm = 2×3m

t1= 600 o C; t2= 50 o C; λ = 20W/m.độ Diện tích: F = ℓ×h = 2×3 = 6 m 2 Nhiệt lượng Q = (λ / δ).(t1 – t2).F

W F t t

i i i

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp

Ta xét một lớp tường mỏng có bán kính r và chiều dày dr, theo định luật Fourier, lượng nhiệt

dẫn qua lớp tường như sau:

Q

L r

36

Trang 10

.2

1 2

2

r r

t t l Q

Dẫn nhiệt qua tường ống nhiều lớp

.21

1

r r

t t l

i i

Trang 11

Đối lưu nhiệt

1 Đối lưu nhiệt: là quá trình truyền nhiệt ở môitrường lưu chất, khi lưu chất chuyển động trongkhông gian từ vùng có nhiệt độ này sang vùng cónhiệt độ khác

2 Quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu gọi là quátrìnhcấp nhiệt

3 Quá trìnhcấp nhiệt: là quá trình vận chuyển nhiệtlượng từ lưu chất đến bề mặt vật rắn hay ngược lại

Không khí nóng bên trong lò nung khoảng

1200 o C

43

Không khí nóng bên trong lò nung khoảng 1200 o C

44

Đối lưu nhiệt tự nhiên Đối lưu nhiệt cưỡng bức

Trang 12

1 Định luật cấp nhiệt Newton

Định luật: lượng nhiệt dQ do một nguyên tố bề

mặt dF của vật thể có nhiệt độ t T cấp cho môi

trường xung quanh có nhiệt độ t trong khoảng thời gian d tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường với dF và d, nghĩa là:

1 Định luật cấp nhiệt Newton

Nếu quá trình cấp nhiệt ổn định thì phươngtrình cấp nhiệt tổng quát được viết dướidạng như sau:

46

F t t

Q   ( T  ).

K m

W K

s m

2 Hệ số cấp nhiệt:

Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp,phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chấtcủa từng chất lỏng hay khí đó:

Trang 13

Ví dụ: Cho tường phẳng có kích thước 4×6m,nhiệt độ bề mặt tường là 100 oC, không khínóng xung quanh có hệ số cấp nhiệt α = 20(W/m2.độ) và nhiệt độ là 120 oC Tính nhiệtlượng truyền được:

Hướng dẫn: Tường 4×6 m → F = 24 m2

Nhiệt độ tường tT = 100oCNhiệt độ lưu chất txq= 120oC

Hệ số cấp nhiệt α = 20 (W/m2.độ)Nhiệt lượng:Q = α.F.(txq– tT)=20.24.(120 – 100)

rút ra được các phương trình chuẩn số cho quá trình cấp nhiệt 51

Lý thuyết đồng dạng

 2 hiện tượng vật lý chỉ có thể đồng dạng với nhau khi:

 Cùng bản chất vật lý

 Cùng được mô tả bằng phương trình hay hệ phương trình vi phân (kể cả điều kiện đơn trị)

Trang 14

 Nếu 1 hiện tượng vật lý được biểu diễn bằng phương trình f(, , , , l…) thì hiện tượng thứ 2 đồng dạng với nó khi:

= > Các chuẩn số đồng dạng

 Khi 2 hiện tượng vật lý đồng dạng

thì các chuẩn số đồng dạng bằng nhau.

 Chuẩn số đồng dạng là các đại lượng không có thứ nguyên.

t t

1 2

l n

1 2

2 2 2

2 1

t C C n

t C

C C

C

C C n

2 2

1 1

C C

1 1

Trang 15

Cp: nhiệt dung riêng của môi trường

: độ nhớt động lực học của môi trường

: hệ số dẫn nhiệt a: hệ số dẫn nhiệt độ

l: đặc trưng hình học g: gia tốc trọng trường

: độ nhớt động họcCác quá trình truyền nhiệt

Trang 16

g t Ga

: độ nhớt động học

: hệ số dãn nở thể tích

t: hiệu nhiệt độ giữa bề mặt truyền nhiệt và dòng

 Trong trao đổi nhiệt đối lưu người

ta thường viết phương trình tiêu chuẩn dưới dạng:

62

CÁC SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT

Pr Re

Gr C

Nu 

Bức xạ nhiệt

1 Kháiniệm: trao đổi nhiệt bằng bức xạ là quátrình trao đổi nhiệt được thực hiện bằngsóngđiện từ

2 Tất cả các vật thể nhiệt độ cao hơn 0(K) đềuphát ra những tia năng lượng dưới dạng tiabức xạ và lan truyền trong không gian xungquanhvật thể

63

E= electric field H= magnetic field

= wavelength (12.2 cm for 2450 MHz) c= speed of light (300,000 km/s)

64

Trang 17

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì:

xạ của vật thểKhả năng phản

xạ của vật thể

A + R + D = 1

Nếu A=1 thì D=R=0, vật gọi là vật đen tuyệt đối Nếu R=1 thì D=A=0, vật gọi là vật trắng tuyệt đối Nếu D=1 thì A=R=0, vật gọi là vật trong suốt

Truyền nhiệt hỗn hợp

Kháiniệm: quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nàysang lưu thể khác qua tường ngăn gọi làtruyền nhiệt hỗn hợp

67

Truyền nhiệt hỗn hợp

Đẳng nhiệt Biến nhiệt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Trang 18

Q = Q1=α1(t1– tT1)FGiai đoạn 2: dẫn nhiệtquatường phẳng

Q = K.F.Δt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp

72

Tương tự ta cũng được:

Q = K.F.ΔtTrongđó:

Δt = t1– t2Các quá trình truyền nhiệt

Trang 19

1 ln

1 r 1

1

2 2 1 2 1

1

C m W r

r K

1 ln

1

r 1

1

2 1

1 1

C m W r

r

n i i n

Trang 20

Một số chất tải nhiệt thường dùng

77

1 Hơi nước bão hòa

 Ưu điểm:

 Lượng nhiệt cung cấp lớn

 Đun nóng được đồng đều

 Hệ số cấp nhiệt lớn (10.000 – 15.000w/m2.độ )

 Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng

 Phải có lò hơi tạo ra hơi nước bão hòa

Một số chất tải nhiệt thường dùng

Trang 21

 Thường có bụi và khí độc của nhiên liệu

 Lượng oxy dư và hiệu suất thấp ≤ 30%

 Nhược điểm:

Thiết bị phức tạpGiá thành cao→ chưa được sử dụng rộng rãi

83

4 Chất tải nhiệt đặc biệt

Khi cần đun nóng nhiệt độ cao (> 180 oC), nên sửdụng chất tải nhiệt đặc biệt:

 Hơi quá nhiệt

 Chất lỏng có nhiệt độ sôi cao mà không bị phânhủy

 Các dung môi hữu cơ: glycerin, diphenyl,etherdiphenyl

 Hỗn hợp các muối và kim loại nóng chảy

5 Khí thải và chất lỏng thải

84

Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp

Thiết bị loại sục khí Thiết bị loại sủi bọt Thiết bị đun nóng giảm

thanh

Trang 22

Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp

Đơn giản, cho phép pha loãng và không có phản ứng xảy ra → thường đun nóng nước

Lượng hơi nước cần dùng:

Nhiệt lượng hơi nước tỏa ra = Nhiệt lượng dung dịch nhận + nhiệt lượng tổn thất

=>

) (

.

2

2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2

c n

tt đ c

c n

tt c c

n đ

t C i

Q t t C G D

Q t C G t C G t C D i D

Q t C G t C D t C G i D

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp

Chất lỏng cần đun không được phép pha loãng, thường trong các thiết bị ống xoắn, ống chùm, vỏ áo…

Lượng hơi nước cần dùng:

87

Lưu thể lạnhHơi bão

hòa đi giữa không gian các ống

88

Hơi nước bão hòanước lạnh vào

Nước ngưngnước lạnh ra

Trang 23

 Để thiết bị trao đổi nhiệt làm việc hiệuquả, ta phải tháo nước ngưng ra liên tục

 Tháo nước ngưng, phải đảm bảo hơinước nước bão hòa không bị thất thoát ra bênngoài

91

Thiết bị tháo nước ngưng – phao kín

1.Ống dẫn hơi

và nước ngưng 2.Tấm chắn

3 Phao

4 Đòn bẩy

5 Van

6 Cửa tháo nước ngưng

5 Van

6 Van một chiều

7 Van tháo khí

Trang 24

1 Thiết bị trao đổi nhiệt

2 Van

3 Thiết bị tháo nước ngưng

Trang 25

Đun nóng bằng khói lò

1 Thiết bị đun nóng

2 Thiết bị đun nóng sơ

bộ

3 Quạt

4 Ống dẫn khí

5 Ống thải khí

6 Khóa điều chỉnh

Đun nóng bằng dòng điện

M ore induction heating madness.mp4 Induction Cooking Overview.mp4 How an Induction Cooktop Works mp4.mp4

1.Thiết bị đun nóng 2.Dây dẫn điện 3.Lớp cách nhiệt

Lò điện cảm ứng (induction furnace)

 Nhiệt độ không đồng đều,

 Làm nóngchảy kim loại

How To M ake An Electrical Arc Furnace.mp4

Siemens VAI EAF Quantum N1 1280x720.mp4

100

Đun nóng bằng dòng điện

1.Thiết bị đun nóng 2.Lớp lót 3.Lớp cánh nhiệt 4.Dây điện trở 5.Dây dẫn điện

 Lòđiện trở (resistance furnace)

 Lòđiện trở trực tiếp

 Lòđiện trở gián tiếp

How the electric elements on an electric furnace work Part 2.mp4

Trang 26

Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt

Đun nóng đồng đều nhiệt độ cao (360 –

1 Thiết bị đun nóng 2 Vỏ bọc ngoài

3 Bình giãn 4 Thùng chứa 5 Bơm

4 Ống xoắn đun nóng

Sơ đồ đun nóng bằng nước quá nhiệt tuần hoàn tự nhiên

Tiêu đề	Đại cương về các quá trình truyền nhiệt
Tác giả	Bùi Tấn Nghĩa
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật nhiệt
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	2,12 MB