Chương 1: Truyền nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội
Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém được gọi là vật cách nhiệt. Tài liệu trắc nghiệm môn Hóa học 1 giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Quá trình và thiết bị CNTP 2
Trường: Đại học Bách Khoa Hà Nội
Thông tin:
Tác giả:
Preview text:
Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm Chương 1: Truyền nhiệt
• Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ
nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp
• Quá trình truyền nhiệt Ổn định Không ổn định
t! = f (x, y, z) t! = f ( , x y, z,τ )
Thiết bị làm việc liên
- Thiết bị làm việc gián đoạn tục
- Giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2
Các phương thức truyền nhiệt
• 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 Dẫn nhiệt
Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật
liệu dẫn nhiệt kém được 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 Dẫn nhiệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 Đối lưu
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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6 Dòng đối lưu Giàn lạnh Bộ phận sưởi
Tại sao bộ phận sưởi được đặt dưới sàn, còn giàn lạnh của tủ lạnh được đặt phía trên? QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7 Bức xạ • Năng lượng được truyền bằng các sóng điện từ
• Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia x
• Bước sóng phụ thuộc vào tần số bức xạ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.1. KHÁI NIỆM
Nhiệt trường: Tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể
hoặc của môi trường được gọi là nhiệt trường (Trường nhiệt độ)
Nhiệt trường ổn định
Nhiệt trường không ổn định
t! = f (x, y, z) t! = f ( , x y, z,τ )
Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.1. KHÁI NIỆM
Gradient nhiệt độ (Grad t): Sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) trên
một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt dt lim = grad (t) n Δ →0 dn 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.2. ĐỊNH LUẬT DẪN NHIỆT FOURIER và ĐỘ DẪN NHIỆT
Định luật Fourier: Nguyên tố nhiệt lượng dQ dẫn qua một đơn vị
bề mặt dF trong một đơn vị thời gian dτ thì tỉ lệ với gradt, bề mặt dF và thời gian dτ dt Q: nhiệt lượng, W dQ = −λ ⋅
dF ⋅ dτ , J dn
F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2
Quá trình ổn định: dt Gradt, °C/m dn dt Q τ: Thời gian, s = −λ ⋅ F,W dn
λ: độ dẫn nhiệt, w/m °C QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.2. ĐỊNH LUẬT DẪN NHIỆT FOURIER và ĐỘ DẪN NHIỆT
Độ dẫn nhiệt của các vật thể rắn, lỏng, khí
- Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, đặc trưng
cho tính chất vật lý của vật chất
- Độ dẫn nhiệt thường được xác định bằng thực nghiệm
- Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí nhỏ hơn chất rắn
- Độ dẫn nhiệt phụ thuộc: § Cấu trúc § Khối lượng riêng § Hàm ẩm § Nhiệt độ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Giả thiết: Z Qz+dz
- Các tính chất vật lý (khối Qy lượng riêng, nhiệt dung
riêng, hệ số dẫn nhiệt) dz
không đổi theo không gian Qx Qx+dx và thời gian dy dx Qy+dy y x Qz QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Z
- Lượng nhiệt dẫn qua các mặt Qz+dz
đi vào hình hộp trong khoảng Qy
thời gian dτ được xác định theo pt Fourrier dz Qx t Qx+dx Q ∂ dy x = −λ dydz τ d x ∂ dx t Q ∂ y = −λ dxdz τ d y Q ∂ y+dy t ∂ y x Qz = −λ dxdydτ Qz z ∂
- Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
- Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: t ∂ ∂ ⎛ t Q ∂ ⎞ x+dx = −λ dydzdτ − λ ⎜ ⎟dxdydzdτ x ∂ x ∂ x ⎝ ∂ ⎠ Z Qz+dz t ∂ ∂ ⎛ t Q ∂ ⎞ Q y+dy = −λ dxdz τ d − λ dxdydz τ d y y ∂ y ⎜⎜ ∂ y ⎟⎟ ⎝ ∂ ⎠ dz Qx t ∂ ∂ ⎛ t Q Q = − dydxd ∂ ⎞ − + ⎜ ⎟dxdydzd dy x+dx z dz λ τ λ τ dx z ∂ z ∂ z ⎝ ∂ ⎠ Qy+dy y x Qz QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
- Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp: 2 ∂ t dQ = Q − Q x x+dx x = λ dxdydz τ d x2 ∂ 2 ∂ t dQ = Q − Q y y+dy y = λ dxdydz τ d y2 ∂ 2 ∂ t dQ = Q − Q z z+dz z = λ dxdydz τ d z2 ∂ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
- Hiệu số lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp:
dQ = dQ + dQ + dQ x y z ⎛ ∂2t ∂2t ∂2t dQ ⎞ = λ + + dxdydz τ d ⎜⎜ x ∂ 2 y ∂ 2 z2 ⎟⎟ ⎝ ∂ ⎠
dQ = λ∇2t ⋅dV ⋅ τ d QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
- Theo định luật bảo toàn năng lượng, lượng nhiệt tăng thêm phải bằng lượng nhiệt
tiêu hao để làm biến đổi nhiệt lượng riêng trong hình hộp: t dQ ∂ = ρ C ⋅ dV ⋅ τ d τ ∂
C: Nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.độ
ρ: Khối lượng riêng của vật thể, kg/m3 t
∂ d τ Biến thiên nhiệt độ theo thời gian τ ∂
- Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất tĩnh/Phương
trình vi phân dẫn nhiệt Fourrier t t C ∂ 2 ∂ ρ = λ∇ t = a 2 ∇ t ∂τ ∂τ λ a QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân = 18 ρ C 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
- Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất đối với quá trình ổn định 2 ∇ t = 0 Hoặc 2 2 2 ∂ t ∂ t ∂ t + + = 0 2 2 2 ∂x ∂y ∂z QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 1.1. Dẫn nhiệt
1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG 2
Tường phẳng một lớp ∂ t y = 0 2 ∂x t t T1 ∂ = C1 x ∂ tT2 δ t Điều kiện biên: = C C x 2 + 1 t = t C x x = 0 T = 2 1 x t − t = δ
t = t = C δ + t hay 2 T 1 T 2 T 1 1 T C1 = δ t − t 2 T 1 T t = x + t 2T δ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20