Giáo trình hình thành phân đoạn ứng dụng cấu tạo đoạn nhiệt theo dòng lưu động một chiều p4 pot

Chu trình này khác chu trình Renkin ở chỗ: Cho 1kg hơi đi vào tuốc bin, sau khi dãn nở trong phần đầu của Tuốc bin từ áp suất p1 đến áp suất pt, người ta trích một lượng hơi g1 và g2 để

- Hình 7.16 biểu diễn chu trình Renkin có nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng từ t1 lên t10 khi áp suất hơi quá nhiệt p1 và áp suất cuối p2 không đổi Khi đó nhiệt độ trung bình T1tb của quá trình cấp nhiệt 3451 tăng lên, do đó theo (7-21) thì hiệu suất nhiệt ηt của chu trình tăng lên

- Hình 7.17 biểu diễn chu trình Renkin có áp suất đầu tăng từ p1 đến p10, khi nhiệt độ hơi quá nhiệt t1 và áp suất cuối p2 không thay đổi

Nếu giữ nguyên nhiệt độ hơi quá nhiệt t1 và áp suất cuối p2, tăng áp suất p1 thì nhiệt độ sôi của quá trình 4-5 tăng, do đó nhiệt độ trung bình T1tb của quá trình cấp nhiệt 3451 cũng tăng lên trong khi T2tb giữ nguyên, dẫn đến hiệu suất nhiệt ηt của chu trình tăng lên

Tuy nhiên khi tăng áp suất p1 thì độ khô của hơi các tầng cuối tuốc bin sẽ giảm, là giảm hiệu suất và tuổi thọ tuốc bin

Khi tăng nhiệt độ đầu thì độ ẩm giảm, nhưng tăng áp suất đầu thì độ ẩm tăng Do đó trên thực tế người ta thường tăng đồng thời cả áp suất và nhiệt độ đầu

để tăng hiệu suất chu trình mà độ ẩm không tăng, nên hiệu suất của chu trình Renkin thực tế sẽ tăng lên

Chính vì vậy, ứng với một giá trị áp suất đầu người ta sẽ chọn nhiệt độ đầu tương ứng, hai thông số này gọi là thông số kết đôi

7.4.3 Chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp

Một biện pháp khác để nâng cao

hiệu suất chu trình Renkin là trích một

phần hơi từ tuôc bin để gia nhiệt hâm

nước cấp Sơ đồ thiết bị chu trình gia

nhiệt hâm nước cấp được biểu diễn trên

hình 7.18 Chu trình này khác chu trình

Renkin ở chỗ: Cho 1kg hơi đi vào tuốc

bin, sau khi dãn nở trong phần đầu của

Tuốc bin từ áp suất p1 đến áp suất pt,

người ta trích một lượng hơi g1 và g2 để

gia nhiệt nước cấp, do đó lượng hơi đi

qua phần sau của tuốc bin vào bình

ngưng sẽ giảm xuống chỉ còn là gk:

gk = 1- g1 - g2 (7-22)

Lượng nhiệt nhả ra trong bình

ngưng cũng giảm xuống chỉ còn:

Hình 7.18 chu trình gia nhiệt

hâm nước cấp

q2hn = (i2 - i2’)(1 - g1 - g2) < (i2 - i2’) (7-23) Hiệu suất chu trình có trích hơi hâm nóng nước cấp là:

1 1

hn 2 1 tr ct

q

l q

q q

=

ư

=

1k

g

IV

g 2

V II

VI I

V I

II

V

I

II I

g 1

g

1

2 tr

ct

q

q

1ư

=

1

2 ct

q

q

1ư

=

Lượng hơi vào bình ngưng giảm, nghĩa là lượng nhiệt q2 mà hơi nhả ra cho nước làm mát trong bình ngưng cũng giảm Từ (7-25) rõ ràng ta thấy hiệu suất nhiệt chu trình có trích hơi gia nhiệt hâm nước cấp tăng lên

7.4.4 Nhà máy điện dùng chu trình hỗn hợp Tuốc bin khí - hơi

Chu trình hỗn hợp là một chu trình ghép, gồm chu trình Renkin hơi nước

và chu trình Tuốc bin khí Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình được thể hiện trên hình 7.19 Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh hơi 1 (buồng đốt); tuốc bin hơi nước 2; bình ngưng hơi 3; bơm nước cấp 4; bộ hâm nước 5; tuốc bin khí 6; máy nén không khí 7

Hình 7.20 Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình hỗn hợp

Nguyên lí làm việc của chu trình thiết bị như sau: Không khí được nén

đoạn nhiệt trong máy nén 7 đến áp suất và nhiệt độ cao, được đưa vào buồng đốt

1 cùng với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt dưới áp suất cao, không đổi Sau khi nhả một phần nhiệt cho nước trong dàn ống của buồng đốt 1, sản phẩm cháy

đi vào tuốc bin khí 6, dãn nở sinh công Ra khỏi tuốc bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ còn cao, tiếp tục đi qua bộ hâm nước 5, gia nhiệt cho nước rồi thải ra ngoài

Nước được bơm 4 bơm qua bộ hâm nước 5, vào dàn ống của buồng đốt 1

ở đây nước nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt đi vào tuốc bin hơi 2, dãn nở đoạn nhiệt và sinh công Ra khỏi tuốc bin, hơi đi vào bình ngưng 3 nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước rồi được bơm 4 bơm trở về lò, lặp lại chu trình cũ

Đồ thị T-s của chu trình nhiệt được biểu diễn trên hình 7.20 Nhiệt lượng

do nhiên liệu cháy tỏa ra trong quá trình b-e chia thành hai phần: một phần dùng

để sản xuất hơi nước trong thiết bị sinh hơi 1, một phần cấp cho tuốc bin khí 6

- a-b: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí 7;

- b-c: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt 1;

- c-d: quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuốc bin khí 6;

- d-a: quá trình nhả nhiệt đẳng áp trong bộ hâm nước 5;

- 3-1’-1”-1: quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong bộ hâm 5 và buồng đốt 1;

- 1-2; 2-2’; 2’-3là các quá trình dãn nở đoạn nhiệt trong tuốc bin, ngưng

đẳng áp trong bình ngưng, nén đoạn nhiệt trong bơm như ở chu trình Renkin

Hiệu suất chu trình là:

1 q

l

Trong đó:

l: Công của tuốc bin hơi và tuốc bin khí, l = lh + lk

q1: nhiệt lượng nhiên liệu tỏa ra khi cháy trong buồng đốt 1

7.5 chu trình thiết bị lạnh chạy bằng Amoniac, Frêon

Chu trình thiết bị lạnh chạy là chu trình ngược chiều, nhận nhiệt từ nguồn

có nhiệt độ thấp, nhả nhiệt chonguồn có nhiệt độ cao Môi chất sử dụng trong các làm thiết bị lạnh thực tế thường là hơi của một số chất lỏng có nhiệt độ sôi thấpở

áp suất bình thường, hệ số toả nhiệt lớn, rẻ tiền, không độc hại Tuỳ theo phương pháp tăng áp suất của môi chất ta chia ra hai loại: chu trình thiết bị lạnh có máy nén và chu trình thiết bị lạnh hấp thụ (không có máy nén)

7.5.1 Chu trình thiết bị lạnh có máy nén

Môi chất thường dùng trong máy lạnh có máy nén là Amoniac (NH3) hay Frêon F12, F22 (có công thức: CmHxFyClz) Amônian thường dùng trong máy lạnh công nghiệp để sản xuất nước đá hoặc làm lạnh thực phẩm, vì nhiệt ẩn hoá hơi lớn nên có thể chế tạo với công suất lớn Frêon thường dùng trong máy lạnh gia

đình như tủ kem, tủ lạnh gia đình vì không đòi hỏi công suất lớn, không mùi và không độc hại

Sơ đồ nguyên lý của máy lạnh có máy nén được thể hiện trên hình 7-20 Hơi môi chất ở trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV có áp suất p1 được máy nén hút vào và nén đoạn nhiệt đến áp suất p2, nhiệt độ t2 Sau đó đi vào bình ngưng II ngưng tụ đẳng áp ở áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 cho không khí hay nước làm mát Lỏng ngưng tụ từ dàn ngưng II đi qua van tiết lưu III, giảm áp suất

từ p2 xuống p1 và chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi ẩm Hơi ẩm tiếp tục đi vào buồng lạnh IV nhận nhiệt lương q2 của vật cần làm lạnh ở áp suất p1 = const biến thành hơibão hoà khô và chu trình lặp lại như cũ

Các quá trình của máy lạnh dùng hơi có máy nén được biểu thị trên đồ thị hình 7-21

1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén, áp suất tăng từ p1 đến p2, 2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng áp ở áp suất p2 = const, nhả lượng nhiệt q1 cho không khí hay nước làm mát,

3-4 là quá trình tiết lưu trong van tiết lưu, áp suất giảm từ p2 xuống p1,

4-1 là quá trình bốc hơi ở dàn bốc hơi trong buồng lạnh, môi chất nhiệt lượng q2 ở áp suất p1 = const

Hệ số làm lạnh:

( 2 41) (41 5) 2

1

2 2

i i i i

i i q

q

q l

q

ư

ư

ư

ư

=

ư

=

=

vì trong quá trìnhtiết lưu i4 = i3, do đó:

(i12 i41)

i i

ư

ư

=

Năng suất của máy lạnh:

Q0 = G.q2, Công suất của máy nén:

N = G.⎢l⎢,

ở đây: G là lưu lượng môi chất trong chu trình, kg/s

7.5.2 Bơm nhiệt

Bơm nhiệt còn được gọi là máy điều hoà hai chiều Bơm nhiệt có thể làm lạnh, hút ẩm và cũng có thể sưởi ấm, hiện được dùng khá phổ biến ở miền Bắc nước ta Khi dùng với chức năng sưởi ấm, bơm nhiệt sẽ tiết kiệm được điện năng rất nhiều so với dùng lò sưởi điện trở

Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt như sau: Môi chất ở trạng thái bảo hoà khô từ buồng lạnh IV được máy nén hút vào và nén đoạn nhiệt từ áp suất p1 đến

áp suất p2, nhiệt độ t2 Sau đó đi vào dàn ngưng II ngưng tụ đẳng áp ở áp suất p2, nhả lượng nhiệt q1 biến thàng lỏng Lỏng từ dàn ngưng II đi qua van tiết lưu III, giảm áp suất từ p2 xuống p1 và chuyển từ dạng lỏng sang dạng hơi ẩm, rồi vào dàn bay hơi để nhận nhiệt lương q2 Nếu sử dụng năng lượng hữu ích từ dàn bay hơi (dàn lạnh, được bố trí trong phòng) thì máy làm việc theo chế độ làm lạnh; Nếu

sử dụng năng lượng hữu ích từ dàn ngưng (dàn nóng, được bố trí trong phòng) thì máy làm việc theo chế độ sưởi ấm (bơm nhiệt) Trong thực tế các dàn được bố trí

cố định, chỉ cần đổi chiều chuyển động cuả dòng môi chất nhờ van đổi chiều

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt được thể hiện trên hình 7-22 Chỉ cần thay

đổi vai trò đóng, mở của các van, thiết bị có thể làm lạnh hoặc sưởi ấm Thiết bị

chính gồm máy nén C, hai dàn trao đổi nhiệt A và B, hai dàn này thay nhau làm dàn lạnh (dàn bốc hơi) hoặc dàn nóng (dàn ngưng tụ); van tiết lưu D và các van

đóng mở từ 1-8 để thay đổi chức năng làm việc của máy Môi chất có thể là Frêon hoặc Amôniac Để xét nguyên lý vận hành của thiết bị, ta coi dàn A đặt trong phòng

* Máy làm việc với chức

năng sưởi ấm:

Mở các van 2, 4, 6, 8 và

đóng các van 1, 3, 5, 7, môi chất

từ máy nén C đi theo chiều

C4A6D8B2C Môi chất được máy

nén hút vào và nén đến áp suất và

nhiệt độ cao, qua van 4 vào dàn

ngưng A, nhả lượng nhiệt cho

không khí trong phòng Bản thân

môi chất mất nhiệt, sẽ ngưng tụ, đi

qua van 6 và van tiết lưu D, biến

thành hơi bảo hoà ẩm ở nhiệt độ

và áp suất thấp, qua van 8 vào dàn

bay hơi B để nhận nhiệt từ môi

trường xung quanh, bốc hơi và

được hut về máy nén, hoàn chỉnh

một chu trình ngược chiều

* Máy làm việc với chức năng làm mát:

Đóng các van 2, 4, 6, 8 và mở các van 1, 3, 5, 7, môi chất từ máy nén C đi theo chiều C1B7D5A3C Môi chất được máy nén hút vào và nén đến áp suất và nhiệt độ cao, qua van 1 vào dàn ngưng B, nhả lượng nhiệt cho môi trường xung quanh Bản thân môi chất mất nhiệt, sẽ ngưng tụ, đi qua van 7 và van tiết lưu D, biến thành hơi bảo hoà ẩm ở nhiệt độ và áp suất thấp, qua van 5 vào dàn bay hơi

A để nhận nhiệt từ không khí trong phòng, làm cho nhiệt đọ trong phòng giảm xuống, môi chất bốc hơi và được hut về máy nén, hoàn chỉnh một chu trình ngược

chiều để làm mát phòng

Phần thứ hai

Truyền nhiệt

Truyền nhiệt là mộn khoa học nghiên cứu các quy luật phân bố nhiệt độ và trao đổi nhiệt trong không gian và theo thời gian giữa các vật có nhiệt độ khác nhau Nó là phần lí thuyết cơ sở để tính toán các quá trình và các thiết bị trao

đổi nhiệt trong tự nhiên và kĩ thuật

Truyền nhiệt nghiên cứu các khái niệm, định luật cơ bản của các phương thức trao đổi nhiệt và ứng dụng nó để khảo sát các quá trình trao đổi nhiệt phức hợp trong các nhiệt bị năng lượng nhiệt

Chương 8 các khái niệm cơ bản

8.1 mô tả quá trình trao đổi nhiệt

8.1.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu truyền nhiệt

Để nghiên cứu truyền nhiệt, người ta thường dùng hai phương pháp chủ yếu: phương pháp giai tích và phương pháp thực nghiệm Phương pháp giải tích dựa vào các định luật cơ bản của vật lí học, sử dụng các phép tính giải tích để dẫn

ra luật phân bố nhiệt độ và công thức tính nhiệt Phương pháp thực nghiệm dựa trên lí thuyết đồng dạng hoặc phân tích thứ nguyên, lập mô hình thí nghiệm đo giá trị các thông số, xử lí số liệu để đưa ra công thức thực nghiệm

8.1.2 Tính chất chung của hiện tượng trao đổi nhiệt

Nhiệt lượng là lượng năng lượng trao đổi giữa các phần tử thuộc hai vật có nhiệt độ khác nhau, tức có động năng trung bình phân tử khác nhau Hiện tượng trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra giữa hai điểm có nhiệt độ khác nhau, tức có độ chênh nhiệt độ ∆t khác không> Giữa hai vật cân bằng nhiệt, có ∆t = 0, nhiệt lượng trao

đổi luôn bằng không

Trong tư nhiên, nhiệt lượng chỉ truyền theo hướng từ điểm có nhiệt độ cao

đến điểm có nhiệt độ thấp Do đó, trao đổi nhiệt là một quá trình không thuận nghịch

8.1.3 Các phương thức trao đổi nhiệt

Quá trình trao đổi nhiệt có thể được thực hiện bằng ba phương thức cơ bản sau đây, được phân biệt theo phương thức truyền động năng giữa các phân tử thuộc hai vật

8.1.3.1 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là hiện tượng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các điện tử do trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền một phần động năng Dẫn nhiệt xẩy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của một vật hoặc giữa hai vật tiếp xúc nhau Dẫn nhiệt thuần túy xẩy ra trong hệ gồm các vật rắn có sự tiếp xúc trực tiếp

8.1.3.2 Tỏa nhiệt (hay trao đổi nhiệt đối lưu)

Tỏa nhiệt là hiện tượng các phân tử trên bề mặt vật rắn và chạm vào các phần tử chuyển động có hướng của một chất lỏng tiếp xúc với nó để trao đổi động năng Tỏa nhiệt xẩy ra tại vùng chất lỏng hoặc khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc Chuyển

động có hướng (đối lưu) của chất lỏng có thể được sinh ra một cách tự nhiên, khi

nó chịu tác động của trọng lực và độ chênh nhiệt độ, hoặc do các lực cưỡng bức khác, khi ta dùng bơm, quạt

Cường độ tỏa nhiệt, như sẽ được khảo sát trong chương 10, tỷ lệ thuận với

hệ số tỏa nhiệt α [w/m2K], và được tính theo công thức Newton:

q= α (tw - tf)= α∆t Trong đó ∆t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng

8.1.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tượng các phân tử vật 1 bức xạ ra các hạt, truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ, mang năng lượng đến truyền cho các phân tử vật 2

Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt bức xạ có thể xẩy ra giữa hai vật ở cách nhau rất xa, không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi trường chất lỏng và khí, và luôn xây ra với sự chuyển hóa giữa năng lượng nhiệt và năng

lượng điện từ Đây là phương thức trao đổi nhiệt giữa các thiên thể trong vũ trụ, chẳng hạn giữa mặt trời và các hành tinh Trên hình (8.1.3) minh hoạ các phương thức trao đổi nhiệt

Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phương thức nói trên, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức toả nhiệt và trao đổi nhiệt bức xạ

8.2 các khái niệm cơ bản của truyền nhiệt

8.2.1 Trường nhiệt độ

Để mô ta phân bố nhiệt độ trong không gian theo thời gian, ta dùng khái niệm trường nhiệt độ

Trường nhiệt độ là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ tức thời trong khoảng thời gian đang xét của mọi điểm trong hệ vật khảo sát

Giá trị nhiệt độ tức thời tại mỗi điểm trong không gian được xác định duy nhất như một đại lượng vô hướng, do đó, trường nhiệt độ là một trường vô hướng

Biểu thức của trường nhiệt độ mô ta luật phân bổ nhiệt độ, cho phép xác

định giá trị nhiệt độ tức thời tại thời điểm τ theo tọa độ (x,y,z) của một điểm bất

kỳ trong hệ:

t = t(x,y,z,τ)

Theo thời gian, trường nhiệt độ được phân ra hai loại: Không ổn định và

ổn định Nếu giá trị nhiệt độ tức thời tại mọi điểm trong hệ không thay đổi theo thời gian, tức t =0

τ

∂

∂

với mọi (x,y,z) và mọi τ, thì trường nhiệt độ được gọi là ổn

định: t = t(x,y,z)

Nếu có một điểm (x,y,z) tại thời điểm τ khiến cho t ≠0

τ

∂

∂

, thì trường nhiệt

độ được gọi là không ổn định

Tùy theo tính đối xứng của trường số tọa độ không gian mà trường phụ thuộc (thường được gọi là số chiều của trường) có thể là 0,1,2,3 Ví dụ, biểu thức của trường nhiệt độ 0, 1, 2, 3 chiều có thể là:

t = t (τ); t = t (x,τ); t = t(y, z, τ); t = t (x, y, z, τ)

8.2.2 Mặt đẳng nhiệt

Tại một thời điểm cho trước tập hợp các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tảo ra trong không gian của trường một mặt, được gọi là mặt đẳng nhiệt

Phương trình của mặt đẳng nhiệt là: t = f(x,y,z) = const

hay: f(x, y, z) = const

Vì nhiệt độ tức thời tại một điểm là duy nhất, nên các mặt đẳng nhiệt không giao nhau

Trên mỗi mặt đẳng nhiệt thì t = const, do đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo hướng cắt mặt đẳng nhiệt

Mặt đẳng nhiệt có thể là mặt cong kín hoặc hở

8.2.3 Gradient nhiệt độ:

Xét hai mặt đẳng nhiệt t = const và t + dt = const với dt > 0 như hình (8.2.3)

Gọi vận tốc thay đổi nhiệt độ của điểm M theo hướng 1 cho trước là vectơ

τ

d

dt

l0 , trong đó 10 là vectơ đơn vị theo hướng 1 ,

τ

∂

∂t

là đạo hàm trường t

theo hướng 1

Gọi gradient nhiệt độ của điểm M là vận tốc thay đổi nhiệt độ của m theo hướng pháp tuyến n của mặt đẳng nhiệt t = const, chiều từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao

Biểu thức của vectơ gradient nhiệt độ tại điểm M (x,y,z) là:

z

t k y

t j x

t i n

t

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

=

∂

∂

Độ lớn của vectơ gradient là gradt = , [K/m]

n

t

∂

∂

Vectơ gr dta mô ta vận tốc thay đổi nhiệt độ cực đại điểm M, trên phương vuông góc mặt đẳng nhiệt theo chiều tăng nhiệt độ, giá trịn bằng

n

t

∂

∂

8.2.4 Vectơ dòng nhiệt

Để đặt trưng cho độ lớn và phương chiếu dòng nhiệt truyền qua mặt đẳng nhiệt ta định nghĩa dòng nhiệt q là vectơ có độ lớn bằng lượng nhiệt q [w/m2] truyền qua 1m2 mặt đẳng nhiệt trong một giây, trên lướng pháp tuyến mặt đẳng nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ:

z y x

0q iq jq q n

Dấu (-) do vectơ q ngược chiều vectơ gradt.

Theo lý thuyết trường vectơ, lượng nhiệt sinh ra trong 1 đơn vị thể tích của

hệ, tức hiệu số các lượng nhiệt ra – vào 1m2 của hệ, là:

].

/ [

z z

x

m W z

q y

q x

q q

div

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

=

Do đó nếu divq > thì vật sinh nhiệt, khi div0 q< thì vật thu nhiệt, lúc 0 divq= vật được gọi là ổn định nhiệt 0

8.2.5 Công suất nguồn nhiệt

Để đặt trưng cường độ phát nhiệt tại điểm M của vật V, ta định nghĩa năng suất phát nhiệt của điểm M (x,y,z) là tỷ số v , [W/m3]

dV

Q

q = ∂

trong đó ∂Q[W ] là công suất nhiệt phát ra từ phân tố thể tích dV[m3] bao quanh điểm

Nếu biết qv = qv (xy,z) thì tính được công suất phát nhiệt của nguồn V theo:

, V d q Q v v

∫

Khi nguồn nhiệt phân bố đều, qv = const, thì Q = qvV