CƠ sở TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC

λ hệ số tỉ lệ hay còn gọi là độ dẫn nhiệt : Vậy λ chính là lượng nhiệt tính bằng Jun dẫn qua 1m2 bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt trong đơn vị thời gian là 1s khi chênh lệch nhiệt đ

• 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

Các vật liệu dẫn nhiệt tốt đƣợc gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém đƣợc 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

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

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

Bộ phận sưởi

hoặc của môi trường được gọi là nhiệt trường (Trường nhiệt độ)

 x y z 

f

t  , , t  f  x , y , z ,  

Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường không ổn định

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

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



 lim 0

λ hệ số tỉ lệ hay còn gọi là độ dẫn nhiệt :

Vậy λ chính là lượng nhiệt tính bằng Jun dẫn qua 1m2 bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt trong đơn vị thời gian là 1s khi chênh lệch nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là 10C/m

lượng riêng, nhiệt dung riêng,

hệ số dẫn nhiệt) không đổi

theo không gian và thời gian

 dydzd x

x x

dxdzd y

dydxd z

x

t Q

z y

t x



C dQ

C: Nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.độ

: 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

x C C

t  2  1

1

C x

J dFd

t

t r

2

, W 5.12 1

2,3lg

L t t Q

r r

phương trình dẫn nhiệt cho tường hình ống nhiều lớp như sau:

11

2

, W 5.13 1

2,3lg

T T n

i

L t t Q

r r

Trong đó :

tT là nhiệt độ của vật thể rắn tiếp xúc với môi trường, 0C

t là nhiệt độ của môi trường, 0C

  W2 0

m C

Thứ nguyên của α là

b) Chuẩn số Peclec

Được rút ra từ phương trình vi phân dẫn nhiệt đối lưu Fourier – Kirchoff Biểu thức của

nó là :

l Pe

a





c) Chuẩn số Prandtl

Chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lí của môi trường Biểu thức của nó là





oVới chuyển động cưỡng bức Nu = f (Re) (5.19)

oVới đối lưu tự nhiên Nu = f (Gr) (5.20)

Các dạng phương trình trên được xác định bằng thực nghiệm và người ta biểu thị chúng bằng các phương trình hàm mũ

Nu = C.Rek.Prm.Grn (5.21)

Các giá trị k,m,n được xác định bằng thực nghiệm

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do

Gr C

51 ,

Với ống truyền nhiệt nằm ngang

Pr T : chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng

25,047

,

Nu 

Với không khí

,08

,0

Pr

Pr Pr

Re 021

K

C

Nu  

43,09

,0Pr Re

008 ,

2300>Re > 10.000

25,04

,043

,033

,0

Pr

Pr Pr

Re 15

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

d: đường kính trong của ống xoắn

R: Bán kính cong của vòng xoắn

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:

d tn : đường kính trong của ống ngoài

45,04

,08

,0

Pr Re

23 ,

d nt : đường kính ngoài của ống trong

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:

d tn : đường kính trong của ống ngoài

45,04

,08

,0

Pr Re

23 ,

d nt : đường kính ngoài của ống trong

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống:

d n : đường kính ngoài của ống

4 , 0

Pr

Re n

K n

d

 

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:

25,033

,065

,0

Pr

Pr Pr

Re 23

,060

,0

Pr

Pr Pr

Re 41

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:

Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống

Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng

3 2

1

3 3 2

2 1

F

F F

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống:

D td : đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m

23 , 0 8

, 0 6

, 0

Pr Re

16 ,

1 D td

Nu 

23 , 0 8

, 0 6

, 0

Pr Re

16 ,

n

D d



 

d n : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn:

Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72

14 , 0 23

, 0 6

, 0 6

, 0

Pr

Pr Pr

D C Nu

14 , 0 23

, 0 6

, 0 6

, 0

D d

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân:

d n : đường kính ngoài của ống

4 , 0

14 , 0 54

, 0

d C

t: bước của gân,m

h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m

Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng:

25 , 0 43

, 0 8

, 0Pr Re

037 ,

d Nu

Re>10.000

2,0Re 032 ,

, 0 5

, 0Pr Re

76 ,

d Nu

Re <100.000

5,0Re 66 , 0



Nu

Không khí

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng:

3

1

Re

Pr

01 ,

Re>2.000

3 9

1 2

Pr Re

67 ,

Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy

  0 , 14

33 , 0

Re

Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy

  0 , 14

33 , 0

Re

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Ngưng tụ giọt

- Bề mặt thành thiết bị không

thấm nước ngưng

Ngưng tụ màng

Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng

- Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước ngưng

- Khi hơi ngưng tụ trên một thành ống thẳng đứng, nước ngưng tạo thành một màng chất lỏng chảy dọc từ trên xuống dưới, với chiều dày tăng dần

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Ngưng tụ màng

Lượng nhiệt truyền từ hơi đến thành thiết bị, khi qua lớp màng ngưng có thể xem như quá trình dẫn nhiệt:

J F

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ





 

Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phụ thuộc:

-Chiều dày của lớp màng -Vận tốc và chiều chuyển động của hơi -Trạng thái bề mặt của nước ngưng tụ -Thành phần của hơi

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

C m

W tH

r tH

g r

32

/ ,

04 , 2 15

, 1



Với hơi nước

C m

W tH

04 , 2



Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

C m

W td

r td

g r

32

/ ,

28 , 1 72

, 0



Với hơi nước

C m

W td

28 , 1



Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang:





 td  tb

- Dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên một lớp nước ngưng dày hơn các dãy ống phía trên,

đồng thời vận tốc hơi cũng bị giảm từ dãy trên xuỗng dãy dưới do một phần hơi đã

ngưng tụ Hệ số cấp nhiệt giảm dần

- Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào số ống tại từng dãy:

Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trên một ống nằm ngang

Hệ số phụ thuộc cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy (tra đồ thị thực nghiệm)

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Hơi ngưng tụ trong ống xoắn:

- Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm

ngang

- Nếu chiều dài ống xoắn lớn, nước ngưng tụ dồn xuống đoạn cuối ống và giảm áp

suất hơi -> giảm hiệu quả truyền nhiệt

- Tỉ số tới hạn l/d phụ thuộc vào áp suất hơi

Hơi có chứa không khí:

- Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống nằm

ngang nhân thêm với hệ số điều chỉnh  phụ thuộc :

o Nồng độ không khí trong hơi

o Vận tốc hơi

o …

Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi

- Một chất lỏng bất kz chỉ có thể được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa

- Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt thì chất lỏng sôi

Quá trình sôi:

-Tạo thành bọt hơi -Bọt tạo thành trên bề mặt đun nóng

từ những điểm riêng biệt

- Bề mặt đung nóng thấm ướt tốt thì

hệ số cấp nhiệt…?

-Bọt khí sau khi tách khỏi bề mặt đun nóng thì nổi lên trên và tăng thể tích

Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi

- Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt đun

-Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt

tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm tăng vận

tốc chuyển động của chất lỏng, chất lỏng bị

xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt…?

-Sôi màng: bọt hơi kết dính với nhau tạo thành

màng hơi trên bề mặt đun nóng, hệ số cấp

nhiệt giảm đột ngột

Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi

-Sôi sủi bọt với nước: Khi sôi sủi bọt chỉ có đối

lưu tự nhiên và áp suất làm việc từ 0,2 – 100 at

hệ số cấp nhiệt có thể xác định theo 2 công

thức:

C m

W q

p

n  0 , 13 0 , 7 2

/ ,

14 , 3



Với các chất lỏng không phải là nước

C m

W t

p

n  0 , 5 2 , 33 2

/ ,

3 , 45

565 , 0

,08

,0

Pr

Pr Pr

Re 021

K

C

Nu  

43,09

,0Pr Re

008 ,

2300>Re > 10.000

25,04

,043

,033

,0

Pr

Pr Pr

Re 15

D Q

Q

R Q

A = 1 : vật đen tuyệt đối

D = 1 : vật trong tuyệt đối

R = 1 : vật trắng tuyết đối

/ m

W dF

dQ

E 

Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER)

Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp  - 

Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100  m

Độ đen (hệ số bức xạ)

Vật Xám

Với K0 là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối : 0 8 2 0W 4

( )

0

T

T T

T

T T

E

E A

 

b) Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật bao trùm nhau

Trong trường hợp này người ta vẫn dùng công thức (5.31) nhưng C1-2 được tính theo công thức

C

A A C

2 1

1 2

cos cos

dF

dF r

- 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:

4

0 , 5.33100

Nhiệt độ của khí

Đúng/sai Bức xạ nhiệt có thể truyền trong chân không

Đúng/Sai Bức xạ nhiệt truyền qua các hạt

Đúng/Sai Bức xạ nhiệt truyền với tốc độ ánh sáng

Đúng/Sai

would be the coolest because it is the best at _ heat radiation

shiny metal

radiation dull black

emitting

The container would be the warmest after ten minutes because its surface absorbs heat _ the best The _ container would be the coolest because it is the poorest at heat radiation

dull black

radiation shiny metal

Tại sao thường bố trí thiết bị đung nóng

bên dưới thùng đựng nước nóng?

Nước nóng đi lên trên

Khi thiết bị đun nước làm việc, nước nóng đi lên phía trên, thùng đựng nước nóng luôn chứa đầy nước nóng Khí lạnh có mật độ cao hơn khí nóng, nên

khí lạnh ‘nặng hơn”

thường được sơn trắng?

Màu trắng phản xạ lại các tia bức xạ và giữ cho

ngôi nhà mát hơn

Tại sao lại dùng những tấm chăn sáng bóngbằng kim loại

để quấn cho các vạn động viên chạy Maraton sau khi hộ về đích?

Vật liệu kim loại sáng bóng phản xạ các tia bức xạ từ bản thân vận động viên, làm cho họ cảm thấy ấm hơn

A Bức xạ

B Cô lập

C Đối lưu

D Dẫn nhiệt

A Rắn

B Lỏng

C Khí

A Sáng bóng

B Trắng mờ

C Đen bóng

D Đen mờ

A Sáng bóng

B Trắng đục

C Đen bóng

D Đen mờ

bằng thép đặt trong phòng, trên thành thiết bị có phủ một lớp sơn

Kích thước thiết bị như sau: H = 2m; D = 1 m;

Kích thước phòng: cao 4m, dài 10m, rộng 6m

Nhiệt độ thành thiết bị là 70 độ C, nhiệt độ không khí trong phòng

là 20 độ C

(cấp nhiệt, dẫn nhiêt và bức xạ nhiệt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt xẩy 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 xẩy 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 quá trình làm việc liên tục

- Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu

thể có biến đôỉ 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

Giả thiết: Quá trình nhiệt ổn đinh, lượng nhiệt chuyển qua mỗi

giai đoạn cùng một khoảng thời gian thì bằng nhau

(I) Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến bề mặt tường (cấp nhiệt);

(III) Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể nguội (cấp nhiệt)

Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội gồm ba giai đoạn:

•Cấp nhiệt từ tường đến lưu thể nguội

Cộng cả ba phương trình (a),(b),(c) lại ta được

•Từ mặt ngoài của ống đến lưu thể nguội

Cộng 3 phương trình (a), (b), (c) lại ta được

84

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 nguội tăng nhiệt độ từ t2đ đến nhiệt độ cuối t2C

Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi từ trị số đầu tđ đến trị số cuối tC

85

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



c d

c d

t tb

t t

t

t t

 

d 1

d

5.422,3lg

c tb

c

t t t

t t

90

t d t c G C t c t d

C G

Q 1 1 1  1  2 2 2  2

 t d t c  G C  t c t d 

C G

C

G G

1 1

1

2 2

2 2 1

C

G G

2 2

2

1 1

1 1





91

Loại này chỉ dùng được trong trường hợp không đắt được ống baromet

98

mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau

-Chất tải nhiệt l đi trong ống từ dưới lên còn

chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên

xuống

- Khi năng suất lớn, đặt nhiều dãy làm việc

song song

-Ưu điểm:

+ Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra

tốc độ lớn cho cả hai chất tải nhiệt

+ Cấu tạo độ đơn giản

nhược điểm: cồng kềnh, giá thành cao,

khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống

100

- Cấu tạo: gồm có vỏ hình trụ 1 hai đầu hàn hai lưới ống 2, các ống truyền nhiệt 3 được ghép chắc, kín vào lưới ống Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bulông ghép chắc Trên vỏ, nắp và đáy có cửa ( ống nối ) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị

được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ

- Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để ghép kín

-Ưu điểm:

+ kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt

102

Bù giãn nở

c: Đầu phao kín d: Loại hộp đệm e: Loại chữ U g: Loại ống kép

Thiết bị ống chùm khi ống lắp chắc vào lưới

đỡ ống chỉ làm việc ổn định khi hiệu số nhiệt

độ giưã vỏ thiết bị và ống không quá 50 độ C,

nếu vượt quá giới hạn này ống hoặc vỏ thiết

bị biến dạng do sự giãn nở không đều nhau

Khi thiết bị làm việc có sự chênh lệch nhiệt

độ lớn giữa vỏ và ống thiết bị, cần cấu tạo

thêm bộ phận bù giãn nở