LUẬN văn sư PHẠM vật lý TRUYỀN NHIỆT và ỨNG DỤNG

Mục ñích nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết truyền nhiệt, thiết bị trao ñổi nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt cùng với một số ứng dụng của nó nhằm giới thiệu ñến n

TRƯỜNG ðẠI HỌC CẦN THƠ

CHƯƠNG 1 2

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT 2

1.1 DẪN NHIỆT 2

1.1.1 ðịnh luật Fourier 2

1.1.2 Hệ số dẫn nhiệt 3

1.2 TRAO ðỔI NHIỆT ðỐI LƯU 7

1.3 TRAO ðỔI NHIỆT BỨC XẠ 8

1.4 TRAO ðỔI NHIỆT PHỨC TẠP 9

CHƯƠNG 2 10

TRUYỀN NHIỆT 11

2.1 TRUYỀN NHIỆT 11

2.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi 12

2.1.2 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh 17

2.2 TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT 20

2.3 CÁCH NHIỆT – ðƯỜNG KÍNH CÁCH NHIỆT TỚI HẠN 21

CHƯƠNG 3 23

THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT 23

3.1 KHÁI NIỆM 23

3.2.1 Phân loại theo chiều chuyển ñộng của môi chất 24

3.2.3 Phân loại theo sự làm việc của môi chất 24

3.2.4.1 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu vách ngăn 24

Trong thiết bị trao ñổi nhiệt này, các chất trải nhiệt trao ñổi nhiệt với nhau một cách liên tục hoặc chu kỳ thông qua vách ngăn cách Ví dụ, các bình ngưng hơi, các bộ quá nhiệt, bộ làm mát nước của ñộng cơ… 24

3.2.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt 25

3.2.4.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu tiếp xúc 26

3.2.4.4 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hỗn hợp 26

3.3 YÊU CẦU ðỐI VỚI THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT 27

3.3.1 Yêu cầu chung 27

3.3.2 Chọn ñường chuyển ñộng cho dòng môi chất 28

3.3.2.1 Chất ñi bên trong ống, chất ñi bên ngoài ống 28

3.3.2.2 Chất ñi bên ngoài ống chuyển ñộng dọc ống hay cắt ngang 28

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

3.3.3 Hệ số năng lượng và thông số kết cấu 29

3.3.3.1 Hệ số năng lượng 29

3.3.3.2 Thông số kết cấu 29

3.4 CẤU TẠO THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT LOẠI VÁCH NGĂN 29

3.4.1 Loại vỏ bọc 29

3.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại ống 30

3.4.2.1 Ống xoắn 30

3.4.2.3 Loại ống lồng ống 32

3.4.2.4 Loại ống vỏ, ống chùm 32

a Cấu tạo 32

b Nguyên lý hoạt ñộng 34

c Ưu, nhược ñiểm 34

d Lắp ñặt 35

e Ứng dụng 35

3.4.2.5 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại ống có cánh 36

3.4.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt dạng tấm (dạng khung bản) 36

3.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT 36

3.5.1 Chọn tốc ñộ chuyển ñộng của môi chất 36

3.5.2 Xác ñịnh hiệu số nhiệt ñộ trung bình 37

3.5.3 Xác ñịnh lượng nhiệt và lượng chất trao ñổi nhiệt 37

3.5.4 Xác ñịnh hệ số truyền nhiệt 37

3.5.5 Xác ñịnh bề mặt truyền nhiệt 37

3.6 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT 38

3.6.1 ðiều kiện ñể vận hành hiệu quả các thiết bị trao ñổi nhiệt 38

3.6.1.1 ðiều kiện khí ñộng 39

3.6.1.2 ðiều kiện nhiệt 40

3.6.1.3 Sự giãn nở nhiệt 44

3.6.1.4 ðiều khiển nhiệt – thủy lực 45

3.6.2 Sự bẩn tác thiết bị trao ñổi nhiệt 47

3.6.3 Vận hành thiết bị trao ñổi nhiệt kim loại 48

3.6.4 Lắp ñặt thiết bị trao ñổi nhiệt 50

CHƯƠNG 4 52

ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 52

4.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ỐNG NHIỆT 52

4.2.1 Khái niệm 53

4.2.2 Cấu tạo 53

4.3 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT 55

4.3.1 Theo lực tác dụng ñể ñưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi 55

a Ống nhiệt trọng trường (còn gọi là xiphong nhiệt) 55

b Ống nhiệt mao dẫn 56

c Ống nhiệt ly tâm 56

d Ống nhiệt ñiện trường 56

e Ống nhiệt từ trường 57

f Ống nhiệt thẩm thấu 57

4.3.3 Theo môi chất nạp 57

4.3.4 Theo hình dạng ống 57

4.3.5 Theo công dụng của ống nhiệt 57

4.4 ƯU ðIỂM CỦA ỐNG NHIỆT 57

4.5 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 58

4.5.1 Ứng dụng của ống nhiệt trong ngành ñiện, ñiện tử 58

4.5.1.1 Làm mát ñộng cơ ñiện 58

4.5.1.2 Làm mát dây cáp ñiện 58

4.5.1.4 Làm mát trong ngành ñiện tử 59

4.5.2 Ứng dụng trong ngành nhiệt – lạnh 61

4.5.2.1 Lò nướng bánh 61

4.5.2.2 Sử dụng nhiệt thải 62

4.5.2.3 Chế tạo bộ sấy không khí ống nhiệt 64

Bảng 4.1 So sánh ưu nhược ñiểm của bộ sấy không khí 64

4.5.2.4 Kỹ thuật ñiều hòa không khí 64

4.5.3 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt 66

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

Với sự phát triển ngày càng cao của công nghệ và thiết bị mới, truyền nhiệt có liên quan chặt chẽ và góp phần quan trọng trong vấn ñề chất lượng của thiết bị Máy móc do nhiều nước chế tạo phong phú về kết cấu và ña dạng về chủng loại, nhưng nếu nắm vững kiến thức về truyền nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt sẽ giúp chúng ta dễ dàng tìm hiểu nguyên lý sử dụng, bảo trì, sửa chữa và lựa chọn chủng loại hợp lý Với mong muốn tìm hiểu khái quát về lý thuyết truyền nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt, ñặc biệt là thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt cùng với những ứng dụng của nó trong ñời sống,

ñó là lý do tôi chọn ñề tài: “ TRUYỀN NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG”

2 Mục ñích nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết truyền nhiệt, thiết bị trao ñổi nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt cùng với một số ứng dụng của nó nhằm giới thiệu ñến người ñọc, giúp người ñọc có thể hiểu về các quá trình truyền nhiệt xảy ra trong các thiết bị ñể dễ dàng chọn lựa, sử dụng cho phù hợp, ñồng thời tận dụng hết ưu ñiểm của

nó vận dụng thực tế

3 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ñề tài

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu thông tin trên website bằng cách ñọc, phân tích và tổng hợp nội dung ñể viết ñề tài,

3.2 Phương tiện nghiên cứu

- Nguồn tài liệu: Sách, báo, website,…

- Nhờ sự hướng dẫn và hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn

Bước 3: Viết ñề cương và xin ý kiến giáo viên hướng dẫn

Bước 4: Viết ñề tài và nộp cho giáo viên hướng dẫn, xin ý kiến tham khảo, chỉnh sửa viết thành ñề tài hoàn chỉnh

Bước 5: Chuẩn bị nội dung báo cáo và bảo vệ luận văn

Phần 2 NỘI DUNG

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT

Trong sản xuất, ñời sống và bảo vệ môi trường, nhiều quá trình cần tiến hành ở ñiều kiện nhiệt ñộ xác ñịnh thì tốc ñộ của quá trình và chất lượng sản phẩm mới ñảm bảo Năng lượng truyền ñi dưới dạng nhiệt không thể ño ñược trực tiếp nhưng có thể xác ñịnh ñược thông qua ñại lượng vật lí ño ñược là nhiệt ñộ ðể giữ ñược nhiệt ñộ của quá trình theo yêu cầu, trong sản xuất thường tiến hành các quá trình truyền nhiệt Các quá trình nhiệt có thể là những quá trình có ích như: quá trình ñun, nấu, gia nhiệt, làm lạnh… chúng ta cần phải gia tăng khả năng trao ñổi của chúng Nhưng các quá trình nhiệt cũng có thể là những quá trình không mong muốn như: tổn thất nhiệt, hỏa hoạn… khi ñó chúng ta cần phải hạn chế khả năng trao ñổi của chúng bằng các biện pháp kỹ thuật, công nghệ

Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra ñồng thời bởi ba dạng trao ñổi nhiệt cơ bản là: trao ñổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao ñổi nhiệt ñối lưu và trao ñổi nhiệt bức xạ

1.1 DẪN NHIỆT

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt ñộ cao ñến vùng có nhiệt ñộ thấp do sự truyền ñộng năng hoặc va chạm của các phân tử và nguyên tử Hiện tượng truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt không chỉ phát sinh ở thể rắn, mà trong thể lỏng, thể khí cũng có Trong thể rắn, nhiệt năng truyền ñi chủ yếu dựa vào tác dụng của sóng dao ñộng các nguyên tử và phân tử; trong thể lỏng, chủ yếu dựa vào sự vận ñộng dịch chuyển của phân tử vật chất; trong kim loại rắn chủ yếu dựa vào sự chuyển ñộng của các ñiện tử tự do Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thuần túy chỉ có trong vật ñặc

lí tưởng

1.1.1 ðịnh luật Fourier

ðịnh luật cơ bản về dẫn nhiệt ñược thực hiện ñầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán lý Joseph Fourier, ông là người ñã ứng dụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết về nhiệt

ðịnh luật này phát biểu: “Mật ñộ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương qui ñịnh tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt ñộ theo phương ấy trong một ñơn vị thời gian” Ví dụ dòng nhiệt theo phương x, ñịnh luật Fourier thể hiện như sau:

W x

T F

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

qx là mật ñộ dòng nhiệt, ñơn vị W/m2

Do qui ước chiều dương vủa vectơ gradient nhiệt ñộ là chiều tăng của nhiệt ñộ còn vectơ mật ñộ dòng nhiệt luôn ñi từ nhiệt ñộ cao ñến nhiệt ñộ thấp nên có dấu “-” trong phương trình trên

số vật lý của vật liệu ñặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật ñược gọi là hệ số dẫn nhiệt

1.1.2 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt ñộ và ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm Thông thường trong các thực nghiệm làm thế nào xác ñịnh mật ñộ dòng nhiệt và gradient nhiệt ñộ thì hệ số dẫn nhiệt sẽ ñược tìm theo công thức:

Từ (1.2) ta thấy hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt lượng truyền qua 1 ñơn vị

bề mặt ñẳng nhiệt trong 1 ñơn vị thời gian khi gradient nhiệt ñộ bằng 1 Thực nghiệm chứng tỏ rằng hầu hết các vật liệu, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt ñộ theo quan hệ ñường thẳng:

) 1 (

1.1.2.1 Hệ số dẫn nhiệt của chất khí

Hầu hết các chất khí, khi nhiệt ñộ của nó cách xa nhiệt ñộ tới hạn và áp suất tương ñối bé, có thể giần ñúng xem như khí lý tưởng Theo thuyết ñộng học phân tử, trong ñiều kiện áp suất và nhiệt ñộ bình thường, sự truyền nhiệt năng bằng dẫn nhiệt trong chất khí ñược xác ñịnh bởi sự truyền ñộng năng phân tử chuyển ñộng hỗn loạn

và sự va chạm của các phân tử chất khí Hệ số dẫn nhiệt ñược xác ñịnh theo biểu thức:

ρω

λ = −l−c v

3

1

Ở ñây: ω− là tốc ñộ toàn phương trung bình của phân tử khí

Khi áp suất tăng thì ρ tăng, giảm −l và tích số ρ −l vẫn giữ không ñổi, vì thế nói chung áp suất thường gặp trong kỹ thuật, hệ số dẫn nhiệt hầu như không phụ thuộc

áp suất quá thấp (<20 mmHg) và áp suất quá cao (>20000 bar)

Tốc ñộ toàn phương trung bình của các phân tử khí phụ thuộc nhiệt ñộ:

µ

ω 3RµT

=

−

T là nhiệt ñộ khí, 0K

Khi nhiệt ñộ tăng nhiệt dung riêng của khí tăng Hệ số dẫn nhiệt của khí

Trên hình 1.1 cho biết hệ số dẫn nhiệt của một số khí phụ thuộc nhiệt ñộ

ñiều này có thể giải thích ñược là do phân tử hêli và hydro có khối lượng bé nên tốc ñộ trung bình của nó lớn (xem hình 1.2)

Hình 1.1 λ(t) chất khí

(1) Hơi nước (2) Khí CO 2 (3) Không khí

(4) Acgôn (5) Ôxy (6) Nitơ

Hình 1.2 Hệ số dẫn nhiệt

của hyñrô và hêli

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

1.1.2.2 Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng giọt

Cơ cấu truyền nhiệt năng trong chất lỏng giọt có thể xem như sự truyền năng lượng của dao ñộng ñàn hồi hỗn loạn Giả thiết vật lý về cơ cấu truyền nhiệt năng trong chất lỏng giọt như thế ñã ñược A.C Pretvaditchenliep phát biểu thành lý luận, N.B Vagaptitki ứng dụng ñể giải thích các số liệu thí nghiệm và thực tế chứng minh rằng hầu hết chất lỏng giọt ñều phù hợp với lý thuyết Trên cơ sở của lý thuyết ấy hệ

số dẫn nhiệt của chất lỏng giọt có thể tính theo công thức sau:

3 1 3 4

Hệ số A tỷ lệ thuận với tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi trong chất lỏng và

Khi nhiệt ñộ tăng

vì phân tử lượng không thay ñổi nên hệ số dẫn nhiệt sẽ giảm ( ñối với chất lỏng không có sự tập hợp hoặc tập hợp yếu) ðối với chất lỏng tập hợp mạnh ñể tính sự thay ñổi phân tử lượng Hệ số tập hợp cũng phụ thuộc nhiệt

ñộ, vì thế ở nhiệt ñộ khác nhau ảnh hưởng của nó ñối với hệ số dẫn nhiệt sẽ khác nhau

Thực nghiệm chứng

tỏ rằng hầu hết chất lỏng

có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt ñộ tăng trừ nước

và glixerin (hình 1.3) và

hệ số dẫn nhiệt tăng khi

áp suất tăng Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng giọt

Hình 1.3 λ(t)của các chất lỏng

(1)Dầu vazơlin (2)Benzôn (3)Axêtôn (4)Dầu thầu

dầu (5)Rược êtilic (6) Rượu mêtilic (7) Glixêrin

1.1.2.3.1 Kim loại và hợp kim

Sự truyền nhiệt năng trong

kim loại chủ yếu là do các ñiện tử tự do,

có thể tương tự như khí lý tưởng một

nguyên tử, còn dao ñộng của các nguyên

tử dưới dạng sóng ñàn hồi không ñáng

kể Do chuyển ñộng của các ñiện tử tự do

sẽ ñưa ñến sự cân bằng nhiệt ñộ của các

chỗ nóng và lạnh trong kim loại ðiện tử

tự do chuyển ñộng từ vùng có nhiệt ñộ

cao ñến vùng có nhiệt ñộ thấp và cũng có

thể theo chiều ngược lại Trong trường

hợp thứ nhất nó cung cấp năng lượng cho

nguyên tử, còn trường hợp thứ hai thì

ngược lại Bởi vì trong kim loại truyền

nhiệt và truyền ñiện ñều do ñiện tử tự do

cho nên hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn ñiện

tỷ lệ thuận với nhau Khi nhiệt ñộ tăng làm cho sự hỗn loạn của ñiện tử tự do tăng lên,

do ñó hệ số dẫn nhiệt và dẫn ñiện trong kim loại giảm xuống (hình 1.4)

Trong kim loại khi có lẫn các tạp chất khác thì hệ số dẫn nhiệt của nó giảm ñi rất nhanh, sở dĩ xảy ra như vậy

là do sự tăng tính hỗn loạn của kết cấu dẫn ñến làm tăng sự phân tán của các ñiện tử tự do Ví dụ ñồng nguyên chất

Khác với kim loại nguyên chất, hệ số dẫn nhiệt của hợp kim tăng khi nhiệt ñộ tăng

Hệ số dẫn nhiệt thay ñổi theo nhiệt ñộ, ña số kim loại nguyên chất có

hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt ñộ tăng nhưng ñối với chất khí và vật liệu cách nhiệt thì ngược lại, hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt ñộ tăng Cần lưu ý là ở nhiệt

ñộ rất thấp quan hệ này rất phức tạp, hệ

số dẫn nhiệt có sự biến ñổi rất lớn khi thay ñổi nhiệt ñộ, muốn biết tường tận cần xem xét thêm các tài liệu về chuyên

ñề này

Hình 1.4 Hệ số dẫn nhiệt của một số

kim loại nguyên chất phụ thuộc nhiệt ñộ

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

1.1.2.3.2 Vật rắn cách ñiện

ðối với các chất cách ñiện thông thường hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt ñộ tăng (hình 1.6), nói chung hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào kết cấu, ñộ xốp và ñộ ẩm của vật liệu, khi khối lượng riêng tăng thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng

Phần lớn vật liệu xây dựng và cách nhiệt có ñộ xốp (gạch, bêtông, amiăng… ) cho nên áp dụng ñịnh luật Fourier ñối với những vật ấy chỉ ñúng

ở một chừng mực nhất ñịnh Sự tồn tại các lỗ trong vật liệu không cho phép khảo sát những vật ấy như môi trường liên tục Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

400 ñến 800 kg/m3 hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng từ 0,105 ñến 0,248 W/m.ñộ, ñiều này có thể giải thích là do sự tồn tại của không khí (hệ số dẫn nhiệt của không khí nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của vật liệu)

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp còn phụ thuộc rất nhiều vào ñộ ẩm ðối với vật liệu ẩm hệ số dẫn nhiệt có giá trị lớn hơn vật liệu khô và nước Ví

ñối với nướcλ= 0.60 W/m.ñộ còn ñối với gạch ẩm λ=1W/m.ñộ Hiệu ứng này có thể giải thích ñược bởi sự truyền nhiệt ñối lưu xảy ra do chuyển ñộng mao dẫn của nước

nhiệt và gọi là vật liệu cách nhiệt

1.2 TRAO ðỔI NHIỆT ðỐI LƯU

Trao ñổi nhiệt ñối lưu là quá trình truyền nhiệt năng khi môi chất dịch chuyển trong không gian từ vùng có nhiệt ñộ này tới vùng có nhiệt ñộ khác và chỉ xảy ra trong chất lỏng (gồm cả chất khí), vì sự truyền nhiệt lượng luôn gắn với sự chuyển ñộng của môi trường Quá trình trao ñổi nhiệt bằng ñối lưu luôn kèm theo sự dẫn nhiệt, vì luôn

có những phần tử chất lỏng có nhiệt ñộ khác nhau tiếp xúc nhau, do vậy sẽ xảy ra sự dẫn nhiệt trong khối chất lỏng ñó Tuy nhiên, quá trình truyền nhiệt ở ñây chủ yếu là

do ñối lưu, nên gọi là trao ñổi nhiệt ñối lưu

Trong thực tế, ta thường gặp quá trình trao ñổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng (hay khí) chuyển ñộng Quá trình trao ñổi nhiệt xảy ra khi bề mặt vật rắn và chất lỏng có nhiệt ñộ khác nhau tiếp xúc với nhau và ñồng thời xảy ra quá trình dẫn nhiệt

và ñối lưu nhiệt gọi là quá trình tỏa nhiệt ñối lưu Tỏa nhiệt ñối lưu chỉ xảy ra khi có

sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa bề mặt vật rắn và môi trường xung quanh

Trao ñổi nhiệt ñối lưu gồm có ñối lưu tự nhiên và ñối lưu cưỡng bức

Hình 1.6 λ(t)của vật liệu xây dựng và cách

nhiệt (1)Không khí (2)Dạ khoáng (3)Bông

xỉ (4)Nliuven (5)Xôvenlit (6)Gạch

diatômit (7)Gạch ñỏ (8) Gạch bêtoong xỉ

(9)Gạch samôt

ðối lưu tự nhiên là sự chuyển ñộng của các phần tử chất lỏng do sự chênh lệch mật ñộ giữa chúng vì có sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa các phần tử này

ðối lưu cưỡng bức là sự chuyển ñộng của chất lỏng hoặc khí do có tác dụng bên ngoài như: bơm, quạt, máy nén, cánh khuấy…

Quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu cưỡng bức mãnh liệt hơn ñối lưu tự nhiên (xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Hệ số tỏa nhiệt ñối lưu trong một số trường hợp tổng quát

Kiểu ñối lưu Mô tả Giá trị của hệ số tỏa

nhiệt ñối lưu (W/m 2 K)

sôi

Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi

Tỏa nhiệt khi

ngưng

Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi

Trong kỹ thuật, ñể tính toán ñơn giản quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu người ta thường dùng công thức:

) (t w t f F

Công thức này còn ñược gọi là truyền nhiệt theo “ñịnh luật làm lạnh của Newton”

F là diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt, ñơn vị m2

t w là nhiệt ñộ bề mặt vật rắn, ñơn vị 0K hoặc 0C

nên do ñó nghiên cứu thực nghiệm ñã ñóng một vài trò rất quan trọng

Ngày này nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tình và dụng cụ ño ñã tạo ñiều kiện cho việc nghiên cứu và giảm bớt các khó khăn cho công tác nghiên cứu thực nghiệm

1.3 TRAO ðỔI NHIỆT BỨC XẠ

Khi hai vật có nhiệt ñộ khác nhau ñặt cách xa nhau trong môi trường chân không thì sự truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao ñổi nhiệt ñối lưu không tồn tại Trong

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

trường hợp này sự truyền nhiệt giữa các vật xảy ra là nhờ trao ñổi nhiệt bức xạ Các vật luôn phát năng lượng bức xạ truyền ñi trong không gian dưới dạng những photon rời rạc theo lý thuyết Planck Cả hai khái niệm này ñều ñược áp dụng trong việc nghiên cứu về trao ñổi nhiệt bức xạ Sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của vật là sự xếp chồng vì rằng nguồn gốc bức xạ là từ bên trong vật và ñược phát thông qua về mặt vật, ngược lại bức xạ tới gần bề mặt vật từ môi trường xung quanh sẽ xâm nhập sâu vào vật

và yếu dần Nhiều trường hợp trong thiết bị kỹ thuật, phần lớn các tia bức xạ tới bị tắt nhanh trên lớp rất mỏng của bề mặt vật nên còn ñược gọi là hấp thụ hoặc bức xạ bề mặt Ví dụ quá trình hấp thụ hoặc bức xạ xảy ra trên bề mặt kim loại các tia tắt dần

Năng lượng bức xạ phát ra của vật tỷ lệ với nhiệt ñộ tuyệt ñối lũy thừa bậc 4,

ví dụ vật ñen (nghĩa là vật hoàn toàn hấp thụ và hoàn toàn bức xạ) với diện tích bề mặt

Ở ñây: ϕ12 gọi là hệ số góc (hoặc hệ số chiếu xạ), nó là một hệ số mang thuần túy tính hình học phụ thuộc vào sự bố trí hình học của hai bề mặt trao ñổi nhiệt ñược xét (ϕ12<1)

Khi sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa T1 và T2 tương ñối nhỏ so với trị só T1 thì phương trình (1.8) có thể viết dưới dạng thường sử dụng khác như sau:

) )(

Khi quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu và bức xạ cùng xảy ra ñồng thời với cường

ñộ mạnh thì tính toán giải tích về truyền nhiệt có xem xét ảnh hưởng tương hỗ giữa hai dạng trao ñổi nhiệt cơ bản trên là một vấn ñề rất phức tạp Ở một khía cạnh khác mức

ñộ hẹp hơn thường sử dụng trong kỹ thuật, chúng ra có thể xem quá trình xảy ra như là

sự sắp xếp chồng tuyến tính cuả hai dòng nhiệt với hai dạng trao ñổi nhiệt khác nhau

Ví dụ quá trình trao ñổi nhiệt giữa sản phẩm cháy trong buồng lửa với bề mặt truyền nhiệt, nó là quá trình xảy ra ñồng thời trao ñổi nhiệt bức xạ và ñối lưu với bề mặt hấp thụ, ñây là quá trình trao ñổi nhiệt phức tạp Dòng nhiệt tổng ñược xét:

ñl

bx q q

Hoặc q=αñl(T f −T w) +αbx(T f −T w)

= (αñl +αbx)(T f −T w)

Ở ñây: αñl và αbx ñã ñược ñề cập ở phần trên

α∑ = (αñl +αbx) gọi là hệ số trao ñổi nhiệt phức tạp

CHƯƠNG 2

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

lò hơi ñể nói rõ ñiều này

Trong lò hơi nhiệt lượng từ khí cháy truyền cho bề mặt ống nước nóng là do dẫn nhiệt, ñối lưu và bức xạ nhiệt cùng xảy ra, ñây là vấn ñề trao ñổi nhiệt phức tạp Nhiệt lượng truyền qua vách thép là do dẫn nhiệt, còn nhiệt lượng truyền qua từ bề mặt vách trong cho nước là do dẫn nhiệt và ñối lưu (tỏa nhiệt) Từ ñây có thể thấy dẫn nhiệt, ñối lưu, bức xạ và trao ñổi nhiệt phức tạp chỉ là trường hợp riêng trong quá trình truyền nhiệt phức tạp Lượng nghịch ñảo của tổng nhiệt trở trong quá trình ấy là “hệ số truyền nhiệt” k, về trị số nó biểu thị nhiệt lượng của chất lỏng này truyền cho chất lỏng khác trong 1 ñơn vị thời gian khi ñộ chênh nhiệt ñộ giữa hai chất lỏng là 1 ñộ Công thức tính toán có dạng sau:

F k

t t

/ 1

Tùy theo sự thay ñổi nhiệt ñộ làm việc của hai môi chất mà người ta chia ra truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi (truyển nhiệt ñẳng nhiệt) và truyền nhiệt khi nhiệt ñộ thay ñổi (truyền nhiệt biến nhiệt) Truyền nhiệt ñẳng nhiệt

là quá trình trao ñổi nhiệt xảy

ra khi nhiệt ñộ của cả hai môi chất ñều không ñổi theo không gian và thời gian Hiệu

số nhiệt ñộ giữa hai môi chất

là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian Ví dụ, trong thiết

bị bốc hơi ñược ñun nóng bằng hơi bão hòa Trong trường hợp này, một phía thiết bị trao ñổi nhiệt là hơi nước ngưng tụ, một phía là chất

Hình 2.1 Thiết bị ñun sôi nược bằng trao ñổi nhiệt

phức tạp

Hình 2.2 Phân bố nhiệt ñộ khi truyền

nhiệt ñẳng nhiệt qua vách phẳng một lớp

lỏng sôi Nhiệt ñộ ngưng tụ của hơi nước bão hòa và nhiệt ñộ sôi của chất lỏng ñều gần như không ñổi trong suốt truyền nhiệt

Thông thường, ta sẽ gặp loại thiết bị trao ñổi nhiệt mà trong ñó, nhiệt ñộ của môi chất sẽ thay ñổi dọc theo bề mặt của thiết bị ñó, nhiệt ñộ không biến ñổi theo thời gian thì ta có truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh; còn nếu nhiệt ñộ lại biến ñổi theo thời gian thì

ta có truyền nhiệt biến nhiệt không ổn ñịnh

Như vậy, trong truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, hiệu nhiệt ñộ giữa hai môi chất chỉ biến ñổi theo vị trí nhưng không biến ñổi theo thời gian, và chỉ xảy ra ñối với thiết

bị làm việc liên tục; còn trong truyền nhiệt biến nhiệt không ổn ñịnh, hiệu nhiệt ñộ giữa hai môi chất biến ñổi theo cả không gian và thời gian, và quá trình xảy ra trong các thiết bị làm việc gián ñoạn

Ở ñây ta chỉ xét quá trình truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi và truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh

2.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi

2.1.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi qua vách phẳng

* Vách phẳng một lớp

Giả sử vách phẳng có các thông số sau:

- Nhiệt ñộ của môi chất lỏng tf1, ñơn vị 0C;

- Nhiệt ñộ của cách phía tiếp xúc với môi chất nóng tw1, ñơn vị 0C;

- Nhiệt ñộ của cách phía tiếp xúc với môi chất nóng tw2, ñơn vị 0C;

- Nhiệt ñộ của môi chất lạnh tf2, ñơn vị 0C;

- Hệ số cấp nhiệt của môi chất

Giả sử, xét quá trình truyền nhiệt là ổn ñịnh, lượng nhiệt truyền qua mỗi giai ñoạn trong khoảng thời gian τ là không ñổi Lập phương trình trao ñổi nhiệt dựa vào quá trình trao ñổi nhiệt của từng giai ñoạn rồi cộng từng vế của

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

phương trình và biến ñổi, ta ñược công thức tính lượng nhiệt truyền qua từ môi chất nóng ñến môi chất lạnh qua vách phẳng một lớp:

F t t

Q( 1 1 ) ( f1 f2)

2 1

−

= + +

α

δλ

] [ 1 1

) (

2 1

2 1

W F t t

αλ

2 1

K m W

αλ

δ

α + +

và: ∆t =t f1 −t f2[0C]=T f1−T f2[0K] (2.6) Phương trình (2.4) trở thành:

] [

, W t KF

K ñược gọi là hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền

ñi trong một ñơn vị thời gian từ môi chất nóng tới môi chất lạnh, qua một ñơn vị diện tích bề mặt phân cách, khi hiệu số chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai môi chất là 1 ñộ

ðơn vị của

t F

Q K

∆

K m

;

2 1

1 ,

1αα

=

b

] [

2

W

K m

, 1 1

1

2 1

∑=

=

+ +

l

i i i K

αλ

δα

] [

2

W

K m

Trong ñó:

n n n

δλ

δλ

ñộ dẫn nhiệt λ và chiều dài vách L Môi chất nóng ñi trong ống có nhiệt ñộ tf1, hệ số cấp nhiệt α1 Môi chất lạnh ñi ngoài ống, có nhiệt ñộ tf2 và hệ số cấp nhiệt α2

Cũng như vách phẳng, lượng nhiệt truyền ñi từ môi chất chất nóng tới môi chất lạnh qua vách trụ trải qua ban giai ñoạn:

- Cấp nhiệt từ môi chất nóng tới bề mặt trong của vách ống

- Dẫn nhiệt qua vách ống

- Cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của vách ống tới môi chất lạnh

Hình 2.3 Phân bố dòng nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

nhiệt truyền ñi trong ba giai ñoạn bằng nhau (Q=Q1 =Q2=Q3)

Thành lập phương trình truyền nhiệt qua từng giai ñoạn tương tự như vách phẳng, ta có:

 Nhiệt truyền ñi từ môi chất nóng tới bề mặt trong của vách:

L r t t

1 1

w

f t t L r

2 1

ln 1

) (

2

r r

t t L

r

r r

Q ( 1 1.ln 1 ) 2 ( f1 f2)

2 2 1 2 1

1

−

=+

+

αλ

Hình 2.4 Phân bố nhiệt ñộ khi truyền nhiệt ñẳng nhiệt qua vách trụ một lớp

Do vậy,

2 2 1 2 1

1

2 1

1 ln

1 1

) (

2

r r

r r

L t t

αλ

α

π

+ +

−

Hay là:

2 2 1 2 1

1

2 1

1 ln

2

1 1

) (

d d

d d

L t t

παπλ

1

1 ln

2

1 1

1

d d

d d

K

παπλ

Hệ số K ñược gọi là hệ số truyền nhiệt của vách trụ, là lượng nhiệt truyền ñi

từ môi chất nóng tới môi chất lạnh qua một mét chiều dài vách ống trong một ñơn vị thời gian khi hiệu số chện lệch nhiệt ñộ giữa hai môi chất là một ñộ ðơn vị của K là

K

1 2 1 1

1

1 ln

2

1 1

1

παπλ

πα

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

2.1.2 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh

Trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, hiệu số nhiệt ñộ giữa hai môi chất không biến ñổi theo thời gian nhưng biến ñổi theo vị trí, tức là tương ứng với từng vị trí của bề mặt trao ñổi nhiệt, hiệu số nhiệt ñộ giữa hai môi chất có giá trị khác nhau

Do ñó, ta không thể tính lượng nhiệt trao ñổi với hiệu nhiệt ñộ ∆t =t1−t2 như trong trường hợp truyền nhiệt ñẳng nhiệt mà phải tính theo hiệu số nhiệt ñộ trung bình

2.1.2.1 Chiều chuyển ñộng của môi chất

Trong quá trình truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, nhiệt ñộ của hai môi chất biến ñỏi theo các trường hợp sau:

- Một môi chất có nhiệt ñộ không ñổi trong suốt quá trình trao ñổi nhiệt, còn

biến ñổi theo thời gian

- Cả hai môi chất cùng biến ñổi theo nhiệt ñộ theo vị trí nhưng không biến ñổi ñổi theo thời gian

Trong trường hợp ñầu, cũng giống như trong truyền nhiệt ñẳng nhiệt, chiều của môi chất không ảnh hưởng ñến hiệu nhiệt ñộ trung bình trong quá trình Tuy nhiên, cần lưu ý chọn chiều môi chất ñể ñảm bảo ñiều kiện kỹ thuật và dễ chế tạo thiết

bị

Trường hợp sau, cả hai môi chất cùng biến ñổi nhiệt ñộ, thì chiều chuyển ñộng của môi chất ở cả hai phía của bề mặt vách trao ñổi nhiệt ảnh hưởng ñến quá trình truyền nhiệt, trước hết là ảnh hưởng ñến nhiệt ñộ cuối của môi chất Nếu nhiệt ñộ

Do ñó, trong trường hợp này ta cần chú ý tới ñến việc chọn nhiều môi chất ñế sao cho quá trình truyền nhiệt là tối ưu

Tr

Trong thực tế, ta thường gặp một số sơ ñồ

biểu diễn chiều chuyển ñộng của môi chất như sau:

Hình 2.6 Thay ñổi nhiệt ñộ của môi chất khi truyền nhiệt biến nhiệt ổn

Hình 2.7 Một số sơ ñồ chiều

chuyển ñộng của môi chất

- Hai môi chất chuyển ñộng song song cùng chiều (sơ ñồ hình 2.7a)

- Hai môi chất chuyển ñộng song song ngược chiều (sơ ñồ hình 2.7b);

- Hai môi chất chuyển ñộng cắt nhau (sơ ñồ hình 2.7c);

- Hai môi chất chuyển ñộng hỗn hợp: một môi chất chảy theo một hướng, môi chất kia có ñoạn chảy cùng chiều, có ñoạn chảy ngược chiều (sơ ñồ hình 2.10d)

Trong tất cả bốn trường hợp trên, nhiệt ñộ của hai môi chất cùng thay ñổi

t2c Do ñó, hiệu số nhiệt giữa hai môi chất cũng thay ñổi từ ∆t ñ ñến ∆t c

Sau ñây là một số thiết bị truyền nhiệt thực tế:

2.1.2.2 Số nhiệt ñộ trung bình

Hình 2.9 Thiết bị trao ñổi nhiệt có hai môi chất chuyển ñộng có chiều hỗn hợp Hình 2.8 Thiết bị trao ñổi nhiệt có 2 môi chất chuyển ñộng ngược chiều

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

a Trường hợp hai môi chất chảy xuôi chiều

Ta xét trường hợp hai môi chất chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao ñổi nhiệt Trong quá trình trao ñổi nhiệt, nhiệt ñộ của môi chất nóng giảm dần và nhiệt ñộ của môi chất lạnh tăng dần (hình 2.10) Nhiệt dộ của hai môi chất ñều biến ñổi dọc theo bề mặt trao ñổi nhiệt nhưng ở từng ñiểm thì nhiệt ñộ sẽ không biến ñổi theo thời gian

Vì chuyển ñộng cùng chiều nên ñầu vào của hai dòng phải nằm cùng phía ðường biểu diễn nhiệt ñộ của dòng nóng luôn là ñường nằm trên và dọc theo chiều dài của thiết bị, nhiệt ñộ môi chất giảm; ñường biểu diễn nhiệt ñộ của dòng lạnh nằm dưới và dọc theo chiều dài của thiết bị, nhiệt ñộ môi chất tăng

ñầu và ñầu ra của thiết bị Như vậy, khi tính ∆t ta lấy 2 nhiệt ñộ cùng phía trừ nhau, sau ñó ∆t nào có giá trị lớn hơn là ∆tmax, còn ∆t nào có giá trị nhỏ hơn là ∆tmin

min max

min max

ln

t t

t t

Trong trường hợp hai dòng chảy ngược chiều, ta vẫn sử dụng công thức 2.20

hiệu số nhiệt ñộ ∆tmin, tức là:

) , max(

),min(

2.2 TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT

ðể tăng cường truyền nhiệt, ta cần dựa vào các dạng trao ñổi nhiệt cơ bản ñể tìm

ra những biện pháp hiệu quả nhất

ðể tăng cường dẫn nhiệt, ta có thể giảm chiều dày của vách, dùng vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt lớn hoặc tăng ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai bề mặt vách

ðể tăng cường trao ñổi nhiệt ñối lưu, ta có thể tăng cường sự rối loạn của chuyển ñộng và tăng tốc ñộ của chất lỏng hay chất khí…

ðể tăng cường trao ñổi nhiệt bức xạ, ta có thể tăng ñộ ñen và nhiệt ñộ của các vật…

Nhưng khi ñồng thời xảy ra các dạng trao ñổi nhiệt cơ bản, việc tăng cường truyền nhiệt một cách hiệu quả là một vấn ñề phức tạp ðể có giải pháp ñúng ñắn cần phân tích từng trường hợp cụ thể Ví dụ, ñể tăng cường truyền nhiệt qua vách, ta xét những thành phần nào ảnh hưởng ñến hệ số truyền nhiệt Nhưng ñể tăng hệ số truyền nhiệt ta lại cần phải xem xét những thành phần nào ảnh hưởng ñến hệ số truyền nhiệt

Ví dụ: hệ số truyền nhiệt K của vách phẳng một lớp (công thức 4.3) có thể tăng, nếu giảm các thành phần nhiệt trở

1

1

α ,λδ , có ý nghĩa là tăng α1,α2 và λ, giảmδ Tuy nhiên, ñể tăng cái nào có lợi hơn cần phải ñược phân tích cụ thể Nếu bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt

λ

δ

thì hệ số truyền nhiệt của vách phẳng, là:

Hình 2.11 Sự thay ñổi nhiệt ñộ của môi chất khi chuyển ñộng ngược chiều

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

2 1

2 1

2 1

1 1

1

αα

ααα

= +

=

có thể nhỏ hơn hay bằng hệ số tỏa nhiệt nhỏ nhất Vì vậy, ñể tăng hệ số truyền nhiệt K

ta cần tăng hệ số tỏa nhiệt ở phía vách có giá trị nhỏ nhất, hoặc làm cánh ở phía bề mặt này

2.3 CÁCH NHIỆT – ðƯỜNG KÍNH CÁCH NHIỆT TỚI HẠN

Trong nhiều trường hợp, ta cần giảm dòng nhiệt truyền qua vách Muốn vậy, ta thực hiện việc cách nhiệt bằng cách thêm vào các lớp vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ như stirôfo, amiăng, bông thủy tinh…

Khi bọc cách nhiệt một vật, ta cần lưu ý rằng ñối với vách phẳng ta thêm các lớp cách nhiệt vào thì nhiệt trở toàn phần sẽ tăng, nhưng ñối với vách trụ khi thêm lớp cách nhiệt vào có thể làm giảm nhiệt trở toàn phần

Thực vậy, nếu ta bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt vào một ống có ñường kính ngoài d2, ñường kính ngoài của ống có bọc cách nhiệt là dcn, khi ñó nhiệt trở dẫn nhiệt

2

ln2

cn cn

d d

d d

R

παπλ

πλ

2 1 1

1 1

1ln

2

1ln

2

11

++

+

ðạo hàm nhiệt trở theo ñường kính cách nhiệt ta có:

2 2

2

1 )

(

) (

cn cn

cn

d d

R d

π α

)(

)( 1

=

cn

d d

R d

, nghĩa là:

0 1 2

1

2 2

=

−

cn cn

cn d α πd

πλ

ðường kính cách nhiệt ứng với R1 nhỏ nhất gọi là ñường kính cách nhiệt tới hạn

Ứng với dth thì tổn thất nhiệt là lớn nhất, vậy muốn cách nhiệt phải lưu ý ñến ñiều kiện trên, nghĩa là dcn>dth thì việc bọc cách nhiệt mới dẫn ñến giảm q1 ðiều này

có nghĩa là chọn vật liệu cách nhiệt phải ñảm bảo ñiều kiện

2

2

2d cn

α

λ ≤ Khi bọc cách nhiệt, cần tính toán chiều dày cách nhiệt cho hợp lý, bảo ñảm bài toán kinh tế - kỹ thuật

Hình 2.12 Quan hệ giữa ñường kính cách nhiệt và nhiệt trở tới hạn

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

Thiết bị trao ñổi nhiệt ñóng vai trò rất quan trọng, nhiều khi còn quyết ñịnh ñến công nghệ sản xuất Ví dụ: trong nhà máy nhiệt ñiện, nhà máy ñông lạnh thì các thiết

bị nhiệt là các thiết bị công nghệ của nhà máy; trong nhà máy chế biến khí thì thiết bị nhiệt cũng chiếm khoảng 40% tổng khối lượng thiết bị của nhà máy Hình 3.1 cho ta thấy vai trò của thiết bị nhiệt trong công nghệ sản xuất methamol

Môi chất là những chất lỏng (hay chất khí) tham gia quá trình trao ñổi nhiệt Chúng ñóng vai trò là những chất mang nhiệt Thông thường, trong thiết bị trao ñổi nhiệt có hai môi chất tham gia vào quá trình trao ñổi nhiệt

Thiết bị trao ñổi nhiệt có cấu tạo và hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào phương pháp và ñiều kiện tiến hành quá trình

Hình 3.1 Vai trò của các thiết bị nhiệt trong công nghệ sản xuất methanol

(1)Thiết bị phản ứng (2)Thiết bị trao ñổi nhiệt (3) Thiết bị lạnh (4)Tháp phân ly (5)Máy nén khí tuần hoàn (6)Máy nén khí

3.2 PHÂN LOẠI

Tùy theo tiêu chí phân loại, ta có một số cách phân loại sau ñây:

3.2.1 Phân loại theo chiều chuyển ñộng của môi chất

Theo chiều chuyển ñộng của môi chất trong thiết bị, thiết bị trao ñổi nhiệt ñược phân ra một số loại như sau:

- Loại cùng chiều ( môi chất vào và ra khỏi thiết bị ở cùng một phía);

- Loại ngược chiều (môi chất vào và ra khỏi thiết bị khác phía, môi chất chuyển ñộng ngược chiều);

- Loại cắt nhau (môi chất này chuyển ñộng cắt ngang môi chất kia, gián tiếp qua vách ngăn);

- Loại hỗn hợp (có phần thiết bị, các môi chất chuyển ñộng cùng chiều có phần thiết bị, các môi chất chuyển ñộng ngược chiều….)

3.2.2 Phân loại theo công dụng của thiết bị

Theo mục ñích sử dụng, thiết bị trao ñổi nhiệt có các loại sau:

- Thiết bị ngưng tụ;

- Thiết bị bay hơi;

- Thiết bị cô ñặc;

- Thiết bị chưng cất…

3.2.3 Phân loại theo sự làm việc của môi chất

Môi chất trong thiết bị trao ñổi nhiệt có thể làm việc liên tục hoặc theo chu kỳ:

- Thiết bị trao ñổi nhiệt hoạt ñộng liên tục Ví dụ: thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, thiết bị ñốt nóng không khí bằng khói, bình bốc hơi…

- Thiết bị trao ñổi nhiệt hoạt ñộng theo chu kỳ Ví dụ: tháp sấy không khí lò cao, thiết bị ñun nóng nước – tích nhiệt chu kỳ, bộ sấy không khí hồi nhiệt của nhà máy ñiện…

3.2.4 Phân loại theo nguyên lí làm việc của thiết bị

Theo nguyên lí hoạt ñộng của thiết bị ta có các loại sau ñây:

3.2.4.1 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu vách ngăn

Trong thiết bị trao ñổi nhiệt này, các chất trải nhiệt trao ñổi nhiệt với nhau một cách liên tục hoặc chu kỳ thông qua vách ngăn cách Ví dụ, các bình ngưng hơi,

các bộ quá nhiệt, bộ làm mát nước của ñộng cơ…

a Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu vách ngăn, hoạt ñộng liên tục

Ở ñây môi chất nóng truyền nhiêt liên tục cho dòng môi chất lạnh qua bề mặt vách ngăn Tùy theo hình dạng của vách ngăn ta có:

- Thiết bị kiểu tấm, bề mặt ngăn cách truyền nhiệt là những tấm phẳng (Hình 3.2)

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

- Thiết bị kiểu ống bề mặt truyền nhiệt là các ống

Trong thực tế, ta thường gặp thiết bị kiểu ống Ví dụ, bình ngưng, bình bốc hơi, bộ quá nhiệt, bộ sấy không khí, calorife trong thiết bị sấy, dàn bốc hơi của thiết bị

cô ñặc, chưng cất… Hình 3.3 giới thiệu thiết bị ngưng tụ kiểu ống vỏ ống chùm, là loại thiết bị rất hay gặp trong sản xuất

b Thiết bị trao ñổi nhiệt vách ngăn, hoạt ñộng theo chu kỳ

Trong thiết bị này, môi chất nóng truyền nhiệt cho môi chất lạnh chuyển ñộng qua vách ngăn theo chu kỳ Nhiệt trao ñổi giữa hai môi chất giảm dần theo thời gian

3.2.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt

Hình 3.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu tấm, hoạt ñộng liên tục

Hình 3.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống vỏ, ống chùm

Ống nhiệt là thiết bị trao ñổi nhiệt hiện ñại (Hình 3.4e) và có nhiều ứng dụng trong thực tế, chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ ở chương sau

3.2.4.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu tiếp xúc

Ở ñây, dòng khí nóng tiếp xúc trực tiếp với các hạt rắn sẽ truyền nhiệt cho các hạt này, sau ñó các hạt này lại nhả nhiệt cho dòng khí lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau (Hình 3.4f), bề mặt trao ñổi nhiệt là bề mặt các hạt chất rắn

3.2.4.4 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hỗn hợp

Trong thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hỗn hợp, các dòng môi chất nóng và lạnh truyền nhiệt cho nhau không qua bề mặt vách ngăn mà tiếp xúc trực tiếp với nhau à hỗn hợp lại với nhau ðặc ñiểm của loại này là quá trình trao ñổi nhiệt xảy ra ñồng thời với quá trình trao ñổi chất

Hình 3.4 Một số ví dụ về thiết bị trao ñổi nhiệt (a)Thiết bị trao ñổi nhiệt vách

ngăn hoạt ñộng liên tục (b)Thiết bị trao ñổi nhiệt hoạt ñộng theo chu kỳ (c)Thiết

bị trao ñổi nhiệt kiểu hồi nhiệt, hoạt ñộng theo chu kỳ (d) Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hồi nhiều, hoạt ñộng liên tục (e) Thiết bị trao ñổi nhiệt ống nhiệt (f) Thiết bị trao ñổi nhiệt tiếp xúc chất rắn

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

Ví dụ: Tháp làm mát nước tuần hoàn (Hình 3.5) của hệ thống ñiều hòa không khí cho không khí thổi qua các giọt nước lạnh ñược phun ra từ vòi phun, nước nhả nhiệt không khí cho và ñược làm lạnh

3.3 YÊU CẦU ðỐI VỚI THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT

3.3.1 Yêu cầu chung

Một thiết bị trao ñổi nhiệt cần ñáp ứng ñược những yêu cầu chung sau ñây:

* Hệ số truyền nhiệt lớn ñể giảm diện tích trao ñổi nhiệt

* Trở kháng thủy lực nhỏ ñể giảm tiêu thụ năng lượng

Yêu cầu hệ số truyền nhiệt lớn và trở kháng thủy lực nhỏ của thiết bị trao ñổi nhiệt thường khó ñáo ứng ñồng thời

Cho tốc ñộ của môi chất phải dựa vào ñiều kiện tối ưu, bảo ñảm hệ số truyền nhiệt lớn nhưng trở kháng thủy lực nhỏ

* Bề mặt trao ñổi nhiệt của thiết bị phải ít bị bám bẩn, dễ làm sạch và dễ sửa chữa Khi vận hành thiết bị, dòng môi chất có thể gây bám bẩn trên bề mặt (do bụi hoặc do sự lắng ñọng các chất cặn) làm chiều dày bề mặt tăng hơn nữa hệ số dẫn nhiệt của bề mặt nên nhiệt trở của bề mặt tăng, dẫn ñến lượng nhiệt truyền qua thiết bị sẽ giảm Bởi vậy, sau một thời gian vận hành, bề mặt thiết bị phải ñược làm sạch

* Bảo ñảm ngăn cách các dòng môi chất nóng và lạnh tốt ñể tránh hiện tượng hai dòng môi chất bị hòa trộn vào nhau ðây là yêu cầu của tất cả thiết bị trao ñổi nhiệt, trừ thiết bị trao ñổi nhiệt hỗn hợp Ví dụ: Trong quá trình sấy, nếu trong thiết bị trao ñổi nhiệt dòng không khí bị hòa lẫn dòng khói sẽ làm ảnh hưởng không tốt tới chất lượng sản phẩm sấy… Về mặt này, thiết bị kiểu ống bảo ñảm tốt nhất cho việc ngăn cách các dòng môi chất

Hình 3.5 Sơ ñồ nguyên lý tháp giải nhiệt bằng nước kiểu hút

(1)Van nước bổ sung (2) Van phao (3)Van xả ñáy (4), (6)Van chặn (5)Bơm nước tuần hoàn (7)Van một chiều (8)Bình ngưng máy nén (9)Thân tháp giải nhiệt (10)Dàn phun (11)Quạt gió

* Thiết bị phải bảo ñảm an toàn khi vận hành, có tuổi thọ cao, có kết cấu ñơn giản ñể dễ dàng lắp ñặt, vận hành và bảo dưỡng

3.3.2 Chọn ñường chuyển ñộng cho dòng môi chất

Với thiết bị trao ñổi nhiệt bề mặt ngăn cách kiểu ống, cần lưu ý khi chọn môi chất ñi trong ống, môi chất ñi ngoài ống; với môi chất ñi ngoài ống thì ñể môi chất này chảy dọc hay cắt ngang ống…

3.3.2.1 Chất ñi bên trong ống, chất ñi bên ngoài ống

- Do ñặc ñiểm cấu tạo, tiết diện cắt ngang ñường chuyển ñộng của môi chất ñi trong ống thường nhỏ hơn tiết diện cắt ngang ñường chuyển của môi chất ngoài ống

Do vậy, ñể môi chất có lưu lượng thể tích nhỏ ñi trong ống, còn môi chất có lưu lượng thể tích lớn ñi ngoài ống ðiều này bảo ñảm tốc ñộ của các dòng môi chất ít khác nhau

và sức cản thủy lực không lớn

truyền nhiệt, một trong những biện pháp là phải tăng hệ số tỏa nhiệt có trị số bé Do ñặc ñiểm cấu tạo, tiết diện ngoài ống lớn hơn (nghĩa là ñường kính tương ñương ngoài ống lớn hơn) nên α sẽ nhỏ hơn Do vậy, ñể môi chất có ñộ nhớt nhỏ ñi ngoài ống

- Chất dễ gây bẩn cho bề mặt ống, cho ñi trong ống ñể dễ làm sạch bề mặt ống

- Chất gây ăn mòn bề mặt nhiều nên ñể ñi trong ống vì ống dễ chế tạo và giá thành nhỏ hơn vỏ thiết bị

- Chất nào có áp suất lớn nên ñể ñi trong ống, ñể tránh phải tăng chiều dày vỏ thiết bị, vì vỏ dày khó chế tạo và giá thành cao

- Với thiết bị trao ñổi nhiệt nhằm mục ñích ñốt nóng một môi chất nào ñó, nên

ñể môi chất có nhiệt ñộ cao ñi trong ống Ngược lại, với thiết bị chỉ nhằm tỏa nhiệt (như bình ngưng), nên ñể môi chất nào có nhiệt ñộ cao ñi bên ngoài ống ñể tự nó tỏa nhiệt một phần ra môi trường xung quanh qua vỏ thiết bị

3.3.2.2 Chất ñi bên ngoài ống chuyển ñộng dọc ống hay cắt ngang

Qua các kết quả tính toán cũng như thực nghiệm, người ta nhận thấy hệ số tỏa nhiệt khi dòng cắt ngang ống αn luôn lớn hơn hệ số tỏa nhiệt khi dòng bọc dọc

kháng thủy lực của dòng cắt ngang ∆p n lại lớn hơn trở kháng lực của dòng dọc ống

ñ

p

∆ ðối với chất khí, nếu Re nằm trong khoảng 4.103 ñến 4.104, nên ñể dòng cắt ngang ống

3.3.2.3 Tốc ñộ chuyển ñộng của dòng môi chất

Như ñã nói, khi tốc ñộ của dòng môi chất tăng làm tăng hệ số tỏa nhiệt ñối lưu và hệ số truyền nhiệt tăng Tuy nhiên, tốc ñộ tăng dẫn ñến trở kháng thủy lực tăng

và công suất tiêu hao của bơm hoặc quạt cũng tăng theo

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

Bảng 3.1 Tốc ñộ chuyển ñộng trong ống ñối với từng loại môi chất

Môi chất Tốc ñộ, m/s

Chất lỏng nhớt Chất lỏng ít nhớt và nước Khi có nhiều bụi

Khí sạch Hơi bão hòa Hơi quá nhiệt

Vì vậy, việc chọn tốc ñộ phải dựa vào bài toán tối ưu, nghĩa là làm sao ñể

hệ số truyền nhiệt có giá trị tương ñối lớn nhưng trở kháng thủy lực không cao ðối với dòng chất lỏng hoặc khí chảy rối nên chọn tốc ñộ có trị số như ở bảng 3.1

3.3.3 Hệ số năng lượng và thông số kết cấu

3.3.3.1 Hệ số năng lượng

Trong thiết bị trao ñổi nhiệt, ta cần tiêu tốn năng lượng cho bơm hoặc quạt

ñể vận chuyển dòng môi chất nóng và lạnh ðể ñánh giá hiệu quả của một bề mặt trao ñổi nhiệt, người ta ñưa ra ñại lượng gọi là hệ số năng lượng

Thiết bị trao ñổi nhiệt có hệ số năng lượng E0 càng lớn càng tốt, bởi vì lượng nhiệt ñược trao ñổi nhiều nhưng tiêu hao năng lượng ít

3.3.3.2 Thông số kết cấu

Một trong những yếu tố ñể ñánh giá và so sánh các thiết bị trao ñổi nhiệt với nhau là thông số kết cấu: ñộ gọn, suất tiêu hao kim loại, giá thành, ñiều kiện sản xuất, lắp ráp và vận hành ðộ gọn là tỷ số giữa diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt của thiết bị F

3.4 CẤU TẠO THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT LOẠI VÁCH NGĂN

Do thiết bị trao ñổi nhiệt gián tiếp thông qua vách ngăn là loại ñược sử dụng rộng rãi trong sản xuất và ñời sống, do vậy, phần này sẽ trình bày chi tiết hơn về thiết

bị loại này Dựa vào cấu tạo bề mặt truyền nhiệt, ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt vách ngăn thành những loại sau: loại vỏ bọc, loại ống, loại tấm, loại xoắn và loại có gân

3.4.1 Loại vỏ bọc

Thiết bị trao ñổi nhiệt vỏ bọc hình 3.6a Vỏ bọc ngoài 1 ñược ghép chắc chắn với thân trong thiết bị 2 bằng mặt bích hoặc hàn Giữa hai lớp vỏ tạo thành khoảng trống kín, chất tải nhiệt sẽ vào khoảng trống ñó ñể thực hiện ñun nóng hoặc làm nguội Chiều cao của vỏ ngoài không ñược thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị

Thông thường, các loại thiết bị vỏ bọc ngoài có bề mặt truyền nhiệt không quá

chất tải nhiệt trong thiết bị, ta thường ñặt cánh khuấy (Hình 3.6b) ñể tăng tốc ñộ chuyển ñộng của chất lỏng

3.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại ống

Căn cứ vào cấu tạo và tính chất làm việc của thiết bị, có các loại sau: ống xoắn, ống tưới, ống lồng ống, ống chùm

3.4.2.1 Ống xoắn

Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn gồm những ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà

Hình 3.6b Thiết bị trao ñổi

nhiệt hai vỏ có cánh khuấy

Hình 3.6a Thiết bị trao ñổi nhiệt loại vỏ bọc

(1)Vỏ bọc ngoài (2)Thân trong

GVHD: ThS Nguyễn Bá Thành SVTH: Dương Thúy Liễu

Khi làm việc thì một môi chất ñi ngoài ống còn một môi chất ñi trong ống

Hệ số cấp nhiệt phía trong ống xoắn thường lớn hơn ống thẳng, khi ñun nóng bằng hơi nước bão hòa nếu chiều dài của ống xoắn quá lớn thì phần cuối ống sẽ chứa nước ngưng, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và khó tháo khí không ngưng Vì vậy, khi yêu cầu bề mặt truyền nhiệt lớn, ta phải bố trí thành nhiều ống xoắn làm việc song song xếp nối tiếp nhau hoặc xếp thành vòng tròn ñồng tâm ðối với chất lỏng cần làm nguội

ñi trong ống, cho ñi từ dưới lên, ñể ống xoắn luôn chứa ñầy ðối với hơi nước dùng trong truyền nhiệt cho ñi từ trên xuống ñể tránh va ñập thủy lực Tốc ñộ chuyển ñộng của chất lỏng trong ống khoảng 0,5 ÷1m/s Thiết bị ống xoắn có nhược ñiểm là chế tạo phức tạp, hệ số truyền nhiệt nhỏ, khó làm sạch phía trong ống

3.4.2.2 Loại ống tưới

Chất lỏng tưới bên ngoài thường là nướ, chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng (Hình 3.8) Trong quá trình trao ñổi nhiệt, có khoảng 1-2% lượng nước ñưa vào tưới bị bốc hơi và thu một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ở trong ống, do ñó lượng nước dùng làm nguội ở thiết bị này ít hơn so với các thiết bị

của dãy ống trên cùng

Ưu ñiểm của loại này là: lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo ñơn giản, dễ quan sát,

dễ làm sạch bề mặt ngoài của ống và dễ thay thế, sửa chữa

Tuy nhiên, nó có nhược ñiểm là cồng kềnh, lượng nước không ñược tưới ñều trên toàn bộ bề mặt ống

Loại này thường dùng ñể làm lạnh và ngưng tụ

Hình 3.8 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại tưới

(1)Ống truyền nhiệt (2)Khuỷu nối (3)Máng tưới (4)Máng chứa nước