Truyền nhiệt - Chương 3 pot

Trường hợp này hệ thống có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi trường ví dụ: đường ống dẫn hơi, dẫn nước nóng, vách buồng lửa, … Nhiệm vụ là chọn bề dày lớp cách nhiệt để tổn thất nhiệt ở m

Trang 1

Chương III

Sunday, November 23, 2008

CÁCH NHIỆT và TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT

A CÁCH NHIỆT

I CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1 Phạm vi cách nhiệt

x Cách nhiệt để cản trở dòng nhiệt từ hệ thống ra môi

trường bên ngoài Trường hợp này hệ thống có nhiệt

độ lớn hơn nhiệt độ môi trường

ví dụ: đường ống dẫn hơi, dẫn nước nóng, vách buồng

lửa, …

Nhiệm vụ là chọn bề dày lớp cách nhiệt để tổn

thất nhiệt ở mức độ hợp lý

x Khi hệ thống có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi

trường, thì ta phải cách nhiệt để cản trở sự xâm nhập

của dòng nhiệt bên ngoài vào hệ thống

ví dụ: các kho lạnh cấp trữ đông, nhiệt độ dao động

C, các đường ống dẫn nước lạnh hay không khí lạnh, …

20y35 o

Trong trường hợp này ngoài nhiệm vụ cách nhiệt,

thì chiều dày lớp cách nhiệt phải đủ dày để đảm bảo không bị đọng sương trên bề mặt cách nhiệt

Trang 2

2 Xác định chiều dày lớp cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ

Vật liệu và chiều dày lớp cách nhiệt được lựa chọn trên

cơ sở tối ưu về kinh tế

Cơ sở ban đầu để xác định chiều dày cách nhiệt là dựa

vào hệ số truyền nhiệt tối ưu được đề nghị ở từng khoảng

nhiệt độ

Kiểm tra đọng sương ở vách phía có nhiệt độ không khí

cao hơn trong trường hợp cách nhiệt hệ thống lạnh

Nguyễn toàn phong Page 3 of 30 Chương III – Cách Nhiệt & Tăng Cường Truyền Nhiệt

II TRƯỜNG HỢP VÁCH PHẲNG

Hệ số truyền nhiệt tối ưu chọn theo tài liệu chuyên ngành Chiều dày cách nhiệt chọn theo công thức sau

»

¼

º

«

¬

ª

¸¸¹

·

¨¨©

§

D

O

G

D

O

tr i i ng

F CN CN

1 1

K

1

Trong đó G’CN Chiều dày lớp cách nhiệt, m

OCN Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, W/(m.K)

Dng, Dtr Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/(m2.K) Vật liệu cách nhiệt trong thực tế có chiều dày tiêu chuẩn, xác định lại hệ số truyền nhiệt gần với giá trị đã chọn ở trên

tr i i CN

CN ng

1 K

D

O

G

O

G

Trong trường hợp vách kho lạnh thì chiều dày lớp cách nhiệt phải đảm bảo điều kiện nhiệt độ vách phía không khí nóng không bị đọng sương

đs

w t

Điều kiện trên có thể xác định theo biểu thức sau

tr ng

đs ng ng F

t t

t t 95 , 0 K

D

Trang 3

Trong đó

tng, ttr Nhiệt độ lưu chất phía vách nóng và vách lạnh

tđs Nhiệt độ đọng sương của không khí phía vách nóng

III TRƯỜNG HỢP VÁCH TRỤ

Việc cách nhiệt vách trụ cần lưu ý

Biểu thức xác định nhiệt lượng

D

S

O

S

D O

2 1

2

f 1 f

1

r 2

1 r

r ln 2

1

t t R

R

t t q

Nhận xét: khi chiều dày cách nhiệt tăng thì

x Nhiệt trở dẫn nhiệt tăng

o dòng nhiệt có xu hướng giảm

x Nhiệt trở do đối lưu giảm

o dòng nhiệt có xu hướng tăng Có một giới hạn về chiều dày lớp cách nhiệt biểu diễn như đồ thị sau

Trang 4

Ơû đây có bán kính giới hạn

D

OCN th

Nhận xét: Khi bán kính của lớp cách nhiệt nhỏ hơn rth thì

việc tăng chiều dày lớp cách nhiệt làm tăng tổn thất nhiệt

Việc cách nhiệt chỉ có tác dụng khi bán kính ống lớn hơn bán kính tới hạn rth

Thực tế ta thường gặp trường hợp r1!rth Dùng biểu thức sau để xác định chiều dày cách nhiệt trong trường hợp ống dẫn tác nhân lạnh, nước lạnh, …

ng CN CN

CN ng tr

ng

đs ng

d

D ln 2

D 1

1 t

t

t t 95 , 0

O

D

2

d

DCN ng CN

Trong đó 0,95 Hệ số dự trữ

Dng hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí,

) K m /(

OCN Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, W/(m.K)

tng Nhiệt độ không khí bên ngoài

ttr Nhiệt độ lưu chất chuyển động trong ống

tđs Nhiệt độ đọng sương của không khí bên ngoài

GCN Chiều dày lớp cách nhiệt, m

dng Đường kính ngoài của ống dẫn, m

DCN Đường kính của lớp cách nhiệt, m

Trang 5

B TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT

Dòng nhiệt đối lưu: Nhiệt lượng truyền từ bề mặt có

nhiệt độ tw đến môi trường lưu chất xung quanh có nhiệt độ tf được xác định bởi phương trình theo định luật Newton:

tw tf

F

Để tăng cường Q, trong trường hợp không thể tăng và

chỉ còn lại biện pháp là tăng diện tích truyền nhiệt bằng cách gắn thêm các cánh trên bề mặt tỏa nhiệt

tw tf

Trường hợp trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất qua bề mặt

vách, cánh thường được gắn về phía lưu chất có hệ số tỏa

nhiệt đối lưu nhỏ hơn, ví dụ; không khí, khói

Trang 6

I PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN

Khảo sát một cánh như hình bên dưới

Xét một phân tố có khoảng cách đến gốc là x, chiều dày x, cường độ tỏa nhiệt trung bình trên bề mặt là , nhiệt độ môi trường xung quanh tf

Trang 7

Phương trình cân bằng năng lượng cho phân tố khảo sát:

Năng lượng

dẫn vào bề mặt

x

=

Năng lượng dẫn

ra khỏi bề mặt

ra bằng đối lưu

Cánh thường có tiết diện ngang Ac nhỏ (so với chiều dài

L), vật liệu làm cánh thường có hệ số dẫn nhiệt O lớn, nên

xem trường nhiệt độ trong cánh là trường một chiều, các

thành phần năng lượng:

D '

Q Q

Q

x x

Thế vào phương trình trên

t t 0 U

x

Q Q

f x

x

x D '

'

Lấy giới hạn 'xo0, ta được:

t t 0 U

dx

dQ

f

D

Theo định luật Fourier

dx

dt A

Thế phương trình e vào d

t t 0 U

dx

dt A dx

d

f

c ¸D

¹

·

¨

©

II DẪN NHIỆT QUA THANH CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI

Trường hợp này đặc biệt với giả thuyết D và O thay đổi ít trong khoảng nhiệt độ khảo sát, phương trình 3-9 được viết lại

t t 0 A

U dx

t d

f c 2

2

O

D

đặt

°

¯

°

®

O

D

T

c

f

A

U m

thừa nhiệt là gọi t

t

phương trình 3-10 được viết lại:

0 m

dx

2

T

(3-11)

Trang 8

Phương trình trên có nghiệm tổng quát

mx 2 mx

1 e C e

Hình sau thể hiện sự cân bằng năng lượng

Nhiệt lượng trao đổi đối lưu trên thanh bằng nhiệt lượng

dẫn qua tại gốc thanh

0 x c gốc

c

dx

d A Q

(3-13)

Hằng số tích phân C1 và C2 tìm theo điều kiện biên diễn

ra ở đỉnh thanh – cơ sở xác định là nhiệt thừa ở đỉnh thanh

x Thanh dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ở đỉnh

x Thanh dài hữu hạn không có tỏa nhiệt ở đỉnh

x Thanh dài vô hạn

1 Trường hợp thanh dài hữu hạn có xét tỏa nhiệt ở đỉnh thanh

Khi x 0 o T Tg

o L

L x dx

d

T

D

¸

¹

·

¨

©

§ T

O

Đặt

°

¯

°°

®

O

D O

D

O

D

U

A m

n

A

U m

c c

Phương trình trường nhiệt độ có dạng:

> @ > @

m L n shm L

ch

x L m sh n x L m ch g

T

Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua gốc thanh):

m L

th n 1

L m th n m

A

T

Trang 9

2 Trường hợp thanh dài hữu hạn

không có tỏa nhiệt ở đỉnh thanh

Khi x 0 o T Tg

o L

dx

d

L x

¸

¹

·

¨

©

§ T

> @

m L

ch

x L m ch g

T

Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua

gốc thanh):

m L

th m

A

3 Trường hợp thanh dài vô hạn

Khi x 0 o T Tg

o f

mx

ge T

Nhiệt lượng truyền qua thanh (bằng nhiệt lượng dẫn qua

gốc thanh):

g

c m A

Hình sau thể hiện sự thay đổi nhiệt độ dọc theo thanh và ước lượng lượng nhiệt trao đổi

Với diễn tả như hình bên trên, thực tế ta ít khi gặp trường hợp e, thường gặp là trường hợp c

Như vậy thực tế thường gặp là trường hợp c, nhưng sẽ sử dụng công thức ở trường hợp d do đơn giãn

Trang 10

Phần nhiệt lượng đã bỏ qua có thể được hiệu chỉnh lại

như biểu thị ở hình sau

U

A L

III DẪN NHIỆT QUA CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI

Hình bên dưới biểu diễn cánh dạng này

Để tính toán đơn giản, ta thường sử dụng công thức của trường hợp d

Trang 11

Trường nhiệt độ phân bố trong cánh

> @

m L

ch

x L m ch g

T

Nhiệt độ đỉnh cánh (x o L T TL)

m L

ch

1 g L

T

Do cánh thẳng mỏng, nên:

¯

®

|

G

| W 2 U

W

Ac

o

G

|2 A

U c

o

G

O

D

|

O

A

U m

c Nhiệt lượng dẫn qua cánh được tính:

m L

th m

A

Lưu ý: Trong thực tế thì có tỏa nhiệt ở đỉnh cánh

(không đáng kể so với phần tỏa nhiệt xung quanh), để bù lượng nhiệt tỏa ra ở đỉnh ta tăng chiều dài cánh thêm 1/2 chiều dày, tức chiều dài tính toán của cánh:

2 L

Lc G

(3-24)

IV CÁNH THẲNG CÓ TIẾT DIỆN HÌNH TAM GIÁC HOẶC HÌNH THANG

Hình dạng và thông số cánh được cho trên hình dưới đây

Trang 12

Trường nhiệt độ trong cánh có dạng

1 1 2 1 2 o 1 o

o 2 1 2 1 o

g

S K S I S K S I

T

với

M

G

M

O

D

tg 2 x x tg z

z 2 S

Trường hợp này đã sử dụng điều kiện bỏ qua tỏa nhiệt ở

đỉnh cánh

o 1 x

o 2 x

dx d

2

x x T

Nhiệt lượng truyền qua cánh:

I u M

G

T

D

tg z

L Q

1

c 1 g

(3-27)

1 1 2 1 2 o 1 o

1 1 2 1 2 1 1 1

S K S I S K S I

I

Trong đó

Io Hàm biến điệu Bessels cấp không loại một

Ko Hàm biến điệu Bessels cấp không loại hai

I1 Hàm biến điệu Bessels cấp một loại một

K1 Hàm biến điệu Bessels cấp một loại hai

V CÁNH TRÒN CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI

Trường nhiệt độ trong cánh có dạng:

1 1 2 1 2 o 1 o

o 2 1 2 1 o

g

S K S I S K S I

T

với

G

O

D

2 m

r m S

(3-29)

Trường hợp này đã sử dụng điều kiện bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh cánh

o 1 r

o 2 r

dr d

2

r r T

1 1 2 1 2 o 1 o

2 1 1 1 1 1 2 1

1 g

S K S I S K S I

r m 2

Q

I

I u

T

G

O

S

(3-30)

Trang 13

VI HIỆU SUẤT CỦA CÁNH

Hiệu suất của cánh được tính theo định nghĩa sau

°¿

°

¾

½

°¯

°

®

K

cánh gốc độ nhiệt bằng mặt bề toàn độ nhiệt

có tưởng lý cánh qua truyền lượng

Nhiệt

cánh qua truyền thực

lượng Nhiệt

c

Biểu thức tương ứng

clt

c c Q

Q

g c clt F

Fc Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của cánh

f g

g t t

T Nhiệt độ thừa ở gốc cánh Nếu biết hiệu suất cánh ta sẽ tính được nhiệt lượng

truyền qua cánh:

g c c clt c

1 Trường hợp cánh thẳng có tiết diện không đổi

Vì nhiệt lượng truyền qua đỉnh cánh không đáng kể nên

ta thường lấy trường hợp đơn giản là bỏ qua tỏa nhiệt ở đỉnh (có thể bù đắp bằng cách tăng chiều cao thêm một nữa chiều dày tại đỉnh)

°¯

°

®

O

D

T

D

) L m ( th A U

Q

L U Q

c c

g c

g c clt

c c

c

L m

) L m ( th K

Thông thường quan hệ giữa hiệu suất Kc và (m.Lc) sẽ được cho ở dạng đồ thị để chúng ta dễ dàng tính toán

Nếu cánh mỏng:

2

p

2 c 2 c 2

c 2

c

f

2 L L L

2 L

2 L m

¸¸¹

·

¨¨©

§

O

D

¸

¹

·

¨

©

§ G

O

D

|

¸

¹

·

¨

©

§ G

O

D

G

L

fp Tiết diện cắt ngang cánh dọc trục Lưu ý chiều dài hiệu quả của cánh và hiệu suất cánh

c g

c

c g

c

m A

L m th m A Q

Q

T

O f

(3-36)

L

f Q

Qc 0,10 ,197 ,462 ,762 ,905 ,964 ,987 ,995 ,999 1,00 c

K , % 99,7 98,7 92,4 76,1 60,3 48,2 39,5 33,2 25 20

Trang 14

2 Trường hợp cánh có tiết diện khác

Trong các trường hợp còn lại ta sẽ có các đồ thị tương

ứng để tra hiệu suất cánh

p 2

c ( f )

L D O

Với

°¯

°

®

'

G

°¯

°

®

' G

thang hình hoặc cánh

L 2

thẳng cánh L

t f

thang hình hoặc cánh

2 L

thẳng cánh 2

t L L

c 2 1

c p

2 c

(3-36)

Trong trường hợp cánh tròn thì hiệu suất còn phụ thuộc vào tỷ số đường kính đỉnh cánh và chân cánh

p 2

c ( f )

L D O

Với

c p

c 1 c 2 c

L t f

L r r

2 t L L

(3-37)

Trang 15

VII HIỆU QUẢ LÀM CÁNH

b c f

w b

f w c

c o

c c

A

F t

t A

t t F

Q

K

D

K

VIII HIỆU QUẢ TRUNG BÌNH BỀ MẶT LÀM CÁNH

Nhiệt lượng truyền từ bề mặt làm cánh đến môi trường xung quanh gồm có hai phần:

x Nhiệt lượng truyền qua cánh: Qc

x Nhiệt lượng truyền qua bề mặt giữa hai cánh: Qoc

Phần bề mặt không có cánh Foc có nhiệt độ tg nên xem hiệu suất bề mặt là 100%

Phần có làm cánh, hiệu suất Kc

Hiệu suất trung bình bề mặt làm cánh được xét như sau:

c c c oc c c

tF FF K F F K F K

c

F

1 K

> @ > @

m L n shm L

ch

x L m sh n x L...

> @

m L

ch

x L m ch g

T

Nhiệt lượng truyền qua (bằng nhiệt. .. class="page_container" data-page="12">

Trường nhiệt độ cánh có dạng

1 1 2 o 1 o

o

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	1,05 MB