CHUONG 5 TRUYỀN NHIỆT TRONG lò NUNG

 Truyền nhiệt đối lưu xảy ra với lưu chất khi sấy, hoặc nung ở nhiệt độ thấp.. TRUYỀN NHIỆT 3 TRUYỀN NHIỆT  Trong lò nung có 3 đối tượng trao đổi nhiệt với nhau là: sản phẩm cháy kh

TRUYỀN NHIỆT 2

TRUYỀN NHIỆT

 Khi nung vật liệu silicat, xảy ra đồng thời hai quá trình: trao

đổi nhiệt và trao đổi chất

 Trao đổi nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt tự nhiên từ vật

thể có nhiệt độ cao đến vật thể có nhiệt độ thấp

 Có 3 phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

 Truyền nhiệt dẫn nhiệt xảy ra chủ yếu với vật thể rắn

 Truyền nhiệt đối lưu xảy ra với lưu chất khi sấy, hoặc nung

ở nhiệt độ thấp

 Truyền nhiệt bức xạ chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ cao với mọi

vật thể

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 3

TRUYỀN NHIỆT

 Trong lò nung có 3 đối tượng trao đổi nhiệt với nhau là: sản

phẩm cháy (khói lò), tường lò, vật liệu nung

 Sản phẩm cháy truyền nhiệt bằng đối lưu, bằng bức xạ đến

TRUYỀN NHIỆT 4

TRUYỀN NHIỆT

 Nhiệt truyền từ bề mặt trong tường lò đến bề mặt tường

ngoài bằng dẫn nhiệt

 Khi nung, nhiệt truyền từ bề mặt ngoài vật liệu nung vào bên

trong bằng dẫn nhiệt Ngược lại, khi làm nguội cũng bằng dẫn nhiệt

 Truyền nhiệt ổn định: có nhiệt độ xác định không thay đổi

theo thời gian Ví dụ: tường, vòm lò liên tục

 Truyền nhiệt không ổn định: có nhiệt độ thay đổi theo thời

gian như: tường, vòm, nền lò gián đoạn, vật liệu nung, xe

goòng…

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 5

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT

 Truyền nhiệt dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt từ hai

vật thể rắn có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc nhau, hoặc bản thân vật thể rắn có nhiệt độ khác nhau

 Trong dẫn nhiệt, các phần tử có nhiệt độ cao sẽ dao

động mạnh và truyền năng lƣợng cho các phần tử lân cận có nhiệt độ thấp

t a t b

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 6

ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT

ĐỊNH LUẬT FOURIER

 Lƣợng nhiệt dQ truyền qua bề mặt dF trong thời gian d, tỉ

lệ thuận với: gradien nhiệt độ, với diện tích bề mặt và thời gian d “:

W hoặc kcal/giờ

  = o +bt: hệ số dẫn nhiệt, W/m o C hoặc kcalo/mh o C

 : gradien nhiệt độ có chiều theo chiều tăng nhiệt độ

  = thời gian h hoặc s

t+Δt



d dt

Q

t

t- Δt

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 7

Phương trình vi phân truyền nhiệt

 Khi vật thể đẳng nhiệt, không xảy ra dẫn nhiệt

 Khi có dòng nhiệt xuất hiện, xảy ra dẫn nhiệt

 Phương trình vi phân truyền nhiệt trong môi trường

2 2

2

z

t y

t x

t a

0





d dt

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 8

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆTỔN ĐỊNH

qua tường phẳng

 Gía trị a càng lớn: tốc độ lan tỏa nhiệt càng nhanh khi

đốt nóng, hoặc sẽ nguội nhanh khi làm nguội

 Khi truyền nhiệt ổn định:

 Có tường phẳng với chiều dài và chiều rộng lớn hơn

chiều dầy rất nhiều, đặt trong hệ tọa độ vuông góc

xOy, trục Ox vuông góc với trục tường và trùng với

phương pháp tuyến của dòng nhiệt

0

2

2 2

2 2

t x

t a

2 2

t x

t

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG

Tường phẳng 1 lớp

 Phương trình vi phân:

 Sau hai lần lấy tích phân và

thay vào phương trình

t x t t

4 1

q

1

1 1

TRUYỀN NHIỆT 12

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG

Tính phân bố nhiệt qua tường

 Tính phân bố nhiệt qua tường, nghĩa là tìm nhiệt độ

tường tại các lớp tiếp giáp giữa hai lớp gạch xây Từ

đó, xác định được nhiệt tích lũy của tường

1-May-13

q t

t  

1

1 1

TRUYỀN NHIỆT 14

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG

Tính phân bố nhiệt

 Trục tung ghi nhận đoạn OA = t 1 và OB = t n

cản Vẽ các đường song song với trục tung tại các điểm nhiệt cản

 Nối AC, giao điểm AC với đường song song trục tung tại

các điểm giới hạn là E, F sẽ cho giá trị t 2 , t 3

 3/ Phương pháp lặp : dùng khi biết nhiệt độ t 1 , t n+1 và  là

hàm số theo nhiệt độ Xác định như sau:

 Chọn nhiệt độ giữa các lớp t 2 , t 3 ,…

 Tính nhiệt độ trung bình các lớp

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 15

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG

Tính phân bố nhiệt :

 Tính hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ trung bình

 Tính nhiệt cản các lớp, suy ra tổng nhiệt cản

 Tính cường độ nhiệt

 Tính kiểm tra nhiệt độ t 2 , t 3 …, sao cho nhiệt độ chọn

và kiểm tra trùng nhau

q

1

1 1





1

1 1

TRUYỀN NHIỆT 16

TRUYỀN NHIỆT DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG

Tường trụ 1 lớp

 Diện tích truyền nhiệt

trong nhỏ hơn diện tích

truyền nhiệt ngoài, nhưng

có nhiệt độ cao hơn

2 1

ln 1 2

r r

t t L Q

2 1

ln 2

1

r r

t t L

Q q

2 1

1 ln

2

r

r r

t t

L r

Q q

) /

ln(

) (

1 2

1 2

1 1

r r

r

r t

t t

t   

1

2 2

2 1

2

r

r r

t t

L r

Q q

r

r r

t t q

1

1 1

1 1

n

r r

t t

q

1

1

1 1

ln

1 2

i i

i i

i i

qb t

b t

n

td

r r r r

1

1 1 1

ln 1

ln





1-May-13

 Nhiệt độ t tại một mặt cầu bất kỳ bán kính r là:

2 1

1 2

2 1

2

1

r r

r r

t t Q

r r

t t t

1

1

1 2

1

2 1 1

2

1

*

r r

t q



 



1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 21

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

 Nguyên nhân truyền nhiệt đối lưu: là do chuyển động nhiệt

phân tử Lực liên kết phân tử của lưu chất rất yếu, nên các phân tử chuyển động tự do

 Phân tử nào có năng lượng lớn sẽ chuyển động với vận

tốc lớn và truyền một phần năng lượng cho các phân tử có năng lượng bé hơn chuyển động với vận tốc chậm hơn

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 22

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

đối lưu tự nhiên

 Phân loại: có hai dạng đối lưu tự nhiên và đối lưu

cưỡng bức

 Đối lưu tự nhiên: là sự chuyển động của lưu chất do

sự chênh lệch khối lượng riêng ở các vị trí có nhiệt độ khác nhau: tạo ra dòng đối lưu dẫn đến sự đồng đều nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lưu chất

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 23

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

đối lưu tự nhiên

 Khi đốt nóng: nhiệt độ vật liệu t v < nhiệt độ khí lò t k :

 Bề mặt vật liệu thẳng đứng: lớp khí gần bề mặt có xu hướng

đi xuống, ở xa có xu hướng đi lên và tạo dòng đối lưu

lớn hơn nhiều so với bề mặt hướng xuống

 Khi vật liệu đặt không đối xứng trong lò, đối lưu khí xảy ra

mạnh ở phía khe rộng nên khe rộng được đốt nóng nhanh hơn phía khe hẹp

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 24

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

đối lưu tự nhiên

 Khi làm nguội: Nhiệt độ vật liệu t v > nhiệt độ khí lò t k :

 Bề mặt vật liệu thẳng đứng: lớp khí gần bề mặt có xu

hướng đi lên, ở xa có xu hướng đi xuống và tạo dòng đối lưu

 Khi vật liệu đặt không đối xứng trong lò, đối lưu khí xảy ra

mạnh ở phía khe rộng nên khe rộng được làm nguội nhanh hơn phía khe hẹp

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 25

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

đối lưu cưỡng bức

 Đối lưu cưỡng bức: khi chuyển động của lưu chất nhờ tác

động cơ học như bơm, quạt, máy nén khí…

 Cường độ đối lưu cưỡng bức lớn hơn nhiều so với đối lưu

tự nhiên, nên được áp dụng rộng rãi trong lò

 Cường độ trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố

như:

 Bản chất của lưu chất : khí, lỏng, hơi

 chế độ chuyển động : tầng, quá độ, rối

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 26

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

đối lưu cưỡng bức

 Tính chất lý học của lưu chất: độ nhớt, khối lượng riêng,

tỉ nhiệt, hệ số dẫn nhiệt, áp suất, tốc độ

 Ống dẫn: đường kính, hình dạng, trạng thái bề mặt

 Cường độ trao đổi nhiệt đối lưu được tính theo định

luật Newton như sau:

q = α đl (t 1 – t 2 ) W/m 2

 Trong đó α đl là hệ số cấp nhiệt đối lưu W/m 2 o C

 Giá trị 1/ α đl gọi là nhiệt cản

 α đl được xác định qua các chuẩn số như sau:

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 27

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

hệ số cấp nhiệt đối lưu αđl

TRUYỀN NHIỆT 28

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

hệ số cấp nhiệt đối lưu αđl

 Trong tính toán lò nung, thường chỉ tính α đl từ bề mặt

tường ngoài ra môi trường xung quanh như sau:

 K = 2,56 (khi α đl W/m 2 o C) hoặc K= 2,2 (khi α đl kcal/mh 0 C)

đối với tường cấp nhiệt bên

 K = 3,26 (khi α đl W/m 2 o C) hoặc K- 2,8 (khi α đl kcal/mh 0 C)

đối với tường cấp nhiệt lên phía trên

 K = 1,63 (khi α đl W/m 2 o C) hoặc K= 1,4 (khi α đl kcal/mh 0 C)

đối với tường cấp nhiệt xuống phía dưới

4

kk n

dl  K t  t



1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 29

TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU

hệ số cấp nhiệt đối lưu αđl

 Khi đốt nóng và làm nguội không khí trị số α đl =18 – 58

W/m 2o C

 Khi tốc độ không khí hay khói lò W = 8 m/s ở 100 o C thì α đl =

23 W/m 2 o C

 Trong kênh gạch, với khói lò, hoặc không khí :

 Trong lò nhiệt độ cao: đl = 10W o , với W o : tốc độ khí ở o C

4 33 , 0

8 , 0

86 ,

TRUYỀN NHIỆT 30

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các Khái Niệm

 Truyền nhiệt bức xạ là sự trao đổi nhiệt giữa các vật

thể không cần tiếp xúc nhau, có thể xảy ra trong chân không

 Bản chất bức xạ nhiệt là một hiện tương phức tạp, vừa

có tính chất sóng vừa có tính chất hạt

 Các vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 o K đều có thể phát ra

các tia năng lượng dưới dạng tia hồng ngoại, tia tử

ngoại… gọi chung là tia nhiệt có bước sóng từ 0,1 –

100m

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các Khái Niệm

Tia nhiệt

TRUYỀN NHIỆT 32

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các Khái Niệm

 Khi năng lƣợng tia nhiệt đến một vật thể Q o , một phần

năng lƣợng bị hấp thu Q A làm vật thể nóng lên, một phần phản xạ Q R , và một phần truyền suốt Q D

TRUYỀN NHIỆT 33

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các Khái Niệm

 Hay: và A+D+R =1

 Gọi A là khả năng hấp thu, với

 Gọi D là khả năng truyền suốt, với

 Gọi R là khả năng phản xạ, với

 Nếu A=1 thì D=R=0: hấp thu hoàn toàn, vật đen tuyệt đối

 Nếu R=1 thì A=D=0: phản xạ hoàn toàn, vật trắng tuyệt đối

Q Q

TRUYỀN NHIỆT 34

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các Khái Niệm

đen, vật trắng và vật trong suốt

tuyệt đối mà chỉ có vật xám.

 Các tia nhiệt hầu nhƣ không

xuyên qua vật thể rắn nên

TRUYỀN NHIỆT 35

định luật Planck

 Định luật Planck: cường độ

bức xạ của vật đen tuyệt đối

phụ thuộc vào độ dài sóng λ

và nhiệt độ tuyệt đối T của

2

) 1 (

TRUYỀN NHIỆT 36

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

định luật Stefan-Boltzmann

 Định luật Stefan-Boltzmann: Cường độ bức xạ của vật

đen tuyệt đối tỉ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyết đối của bề mặt vật thể

TRUYỀN NHIỆT 37

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

Các trường hợp bức xạ nhiệt:

 Hai vật phẳng song song nhau:

 Công thức này áp dụng cho trường hợp cấp nhiệt bức xạ

từ khói lò đến bề mặt tường trong Khi đó T 1 là nhiệt độ cao, T 2 là nhiệt độ thấp Độ đen ε k , ε t ứng với khói lò T k và tường trong T t của lò:

4 1

2 1

100 100

1 1 1

67 ,

100 100

1 1 1

67 ,

t k

T T

q





1-May-13

t k t

k

t k

t t

t t T

T q

100 100

1 1 1

67 , 5





t k

t k

t k

bx

t t

T T

1 1 1

67 ,

100 100

1 1 1

67 ,

kk t

T T

100 100

67 ,

100 100

4 T n T kk

q

1-May-13

 T 1 , T kk : Nhiệt độ khí lò, nhiệt độ không khí

 Khi kích thước lỗ bằng nhau, cường độ bức xạ càng nhiều khi

1

100 100

4: lỗ tròn

h/δ

1-May-13

4 1

2 1

100 100

1 1 1

67 , 5 2

4 1

2 1

100 100

1 1 1

67 , 5 1

4 1

1 2

1

100

100 1

1

1 2

1 1

67 ,

4 1

1 2

1

100 100

1

2 1

1 1

67 ,

TRUYỀN NHIỆT 44

TRUYỀN NHIỆT BỨC XẠ

bức xạ nhiệt của khí

 Các khí có 3 nguyên tử CO 2 , H 2 O, SO 2 , NH 3 có tính

hấp thu và bức xạ tia nhiệt

 Cường độ bức xạ q của khí phụ thuộc vào loại khí,

áp suất P, chiều dầy δ và nhiệt độ T

 Trong đó : ε k = ε CO2 +β ε H2O - Δε

 ε CO2 , ε H2O : độ đen của CO 2 , H 2 O được xác định theo

nhiệt độ t và tích số áp suất P với chiều dầy δ

4

100

67,

TRUYỀN NHIỆT 48

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

các nguồn nhiệt trong lò

 Dòng nhiệt từ t k đến t 1 và từ t 2 đến t kk biểu diển bằng đường

cong lõm, thể hiện sự giảm nhiệt độ từ trong lò ra môi trường Đây là dòng nhiệt tổng hợp của cấp nhiệt đối lưu và bức xạ

 Dòng nhiệt từ t 1 đến t 2 qua tường là dẫn nhiệt, có dạng đường

TRUYỀN NHIỆT 50

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP tính hệ số cấp nhiệt ngoài

kk n

kk n

t t

T

T t

t K

67 , 5

4 4

4



1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 51

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP tính hệ số cấp nhiệt ngoài

TRUYỀN NHIỆT 52

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

tính hệ số cấp nhiệt trong α1:

 Cách 1 : áp dụng công thức:

 W 0 : tốc độ khí ở điều kiện chuẩn

 Cách 2: tính α đl theo phương trình chuẩn số

t k

t k

t t

T T

1 1 1

67 , 5 47

, 10

4 4

0 1







1-May-13

2 1

2 1

i

R

2 1

1

1 1

i

K

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 55

Tính phân bố nhiệt qua tường

 Khi  là hằng số và α 1 lớn nên t k = t 1 , cách tính như sau:

 Thay đổi t 4 nhiều lần sao cho q 1 = q 2 = q

 Tính nhiệt độ các lớp giống như trên

2 1

1 2

i i

i

kk

t t

q

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 56

Tính phân bố nhiệt qua tường

 Phương pháp lập : dùng khi  = o +bt, biết t k , t kk và chiều

1

1 1

1 1

1



q t

t  k 

1

1 1

2 



q t

t  

2

2 2

3 



q t

t  

2

3 4

1



q t

t  

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 57

Tính phân bố nhiệt qua tường

 Phương pháp giải tích: dùng khi  = o + bt, biết t 1 , t kk và

chiều dầy các lớp Cách tính như sau:

 Tính hai giá trị α 2 được: α 21 < α 22

 Tính hai cường độ nhiệt: q 1 < q 2 theo q i = α 2i (t ni – t kk )

 Tính hai nhiệt cản: R 1 > R 2 theo

 

i

i i

i i

i i

i i

b

qb t

 Vẽ đồ thị, trục tung là nhiệt độ, trục hoành là nhiệt cản

 Từ R 1 , R 2 vẽ hai đường 1 và 2 song song trục tung

 Hai đường song song trục hoành tại t n1 , t n2 cắt đường 1, 2

lớp là giao điểm cùa t 1 I

với các đoạn XX’, YY’

2 1 1

1

t t

t t

1 1

2

t t

t t

2 1 2

ln 2

1

r r

t t q

2

1

1 ln

2

1 2

t t

1 1

1 ln

1 2

1 2

i

n i

kk k

r r

r r

t

t q

2 1

1

1 1

1 ln

1 2

1 2

i

n i

r r

K

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 63

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

 Tổng kết giữa hai loại tường ta có:

Q = qF = K Δt F w

 Δt: chênh lệch nhiệt độ giữa khói lò và không khí

1 2

ln

F F

F F

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 64

tăng cường truyền nhiệt

 Để tăng cường truyền nhiệt: có 2 biện pháp:

 Tăng hệ số cấp nhiệt α :

 Với α 2 << α 1 : để tăng cường truyền nhiệt phải tăng α

bé (thường là phía chất khí )

 Với α 2  α 1 : tăng đồng thời cả hai phía

 Tăng bề mặt trao đổi nhiệt F: tăng diện tích trao đổi

nhiệt ở phía có α bé, bằng cách tạo có cánh, có gân,

có gờ

1-May-13

) (





 kk

k t t

1 1

1 1

F F

F

t t

TRUYỀN NHIỆT 66

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

Dòng nhiệt tới hạn qua tường trụ:

 Nhiệt cản R qua tường trụ 1 lớp:

 Khi r 2 tăng, giá trị:

 1/2Πr 2 α 2 giảm, nên R giảm và cường độ nhiệt q tăng

 Ln(r 2 /r 1 ) tăng, nên R tăng và cường độ nhiệt q giảm

 Vậy sẽ có một giá trị của r 2 cho R cực tiểu và q cực đại Để

xác định r 2 , lấy đạo hàm của R theo biến số r 2 hai lần được kết quả:

2 2 1

2 1

1 ln

2

1 2

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

cấp nhiệt ra môi trường xung quanh

 Khi  < 2 r 2 : r 2 tăng, q giảm

 Khi  = 2 r 2 : R cực tiểu, q cực đại

 Khi  > 2 r 2 : r 2 tăng, q tăng

 cường độ nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh xác

kk

k t

t q

1

1 1

1 ln

1 2

1 2

i n

i

i i

kk k

r r

r r

t t

q

TRUYỀN NHIỆT KẾT HỢP

cấp nhiệt ra môi trường xung quanh

Vật liệu nung

TRUYỀN NHIỆT 69

TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH

 Quá trình truyền nhiệt xảy ra khi nung có ảnh hưởng đến

tiêu hao nhiên liệu, chất lượng sản phẩm

 Việc làm nguội vật liệu nung, hay đốt nóng chất tải nhiệt có

liên quan đến chiều chuyển động của vật liệu và khói lò

 Trong truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, hiệu số nhiệt độ thay

đổi theo vị trí, nhưng không đổi theo thời gian

 Trong lò nung, lò sấy, sự trao đổi nhiệt có 2 cách bố trí:

 Vật liệu và khí chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều

 Vật liệu đứng yên, khí chuyển động

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 70

TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH

các dạng chuyển động

 Các dạng chuyển động:

 a) Song song cùng chiều:

 b)Song song ngƣợc chiều

1-May-13

TRUYỀN NHIỆT 71

TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH

các dạng chuyển động

 Trong mọi trường hợp:

 nhiệt độ nguồn lạnh là t 2 sẽ tăng từ t 2đ đến t 2c

 nhiệt độ nguồn nóng là t 1 sẽ giảm từ t 1đ đến t 1c

 Như vậy hiệu số nhiệt độ giữa hai nguồn cũng thay đổi

từ Δt đ đến Δt c

 Trong thực tế, thường gặp chuyển động cùng chiều và

ngược chiều:

1-May-13