Phần 2: Các quá trình truyền nhiệt | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
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 2 1.4. Truyền nhiệt
1.4.1. TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP
Việc vận chuyển nhiệt lượng được xảy ra đồng thời theo ba phương thức: dẫn
nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu. Quá trình trao đổi nhiệt như vậy gọi là trao đổi nhiệt phức tạp.
Ví dụ: sự trao đổi nhiệt giữa vật thể rắn và môi trường khí -> Quá trình này gồm
cả đối lưu và bức xạ.
Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ: ⎡⎛ T 4 ⎞ ⎛ T 4 ⎤ Q = C F T K ⎞ − ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⋅ϕ, W bx 1 2 100 100 ⎢⎣⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦
T và T - nhiệt độ của tường và khí, oK. T K αbx ⎡⎛ T 4 ⎞ ⎛ T 4 ⎤ C T K ⎞ 1−2 ⎢⎜ ⎟ − 100 ⎜100⎟ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Q ⎢⎣ ⎥⎦ = ⋅ϕ ⋅ F ⋅ − , bx (t t T K ) W (t −t T K ) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3 1.4. Truyền nhiệt
1.4.1. TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP Q = α ⋅ϕ ⋅ − , bx bx (t t T K ) W Hệ s 1 W T ố he i magα e cannot be di l sp à layed . h Your cệ omp utes r maố y no t h c ave eấ nougp h me m n ory toh ope i n ệ the i t ma ge, b or thằ e im n age g may h aveb bee ứ n corr c upted. x Resta ạ rt yo , ur co có mputer, a nd ⎡ ⎤ ⎡ ⎤
then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. thứ nguyên là: bx [αbx]= = ⎢ 2 ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎣ m s . đ
. ô ⎦ ⎣m đ . ô ⎦
Toàn bộ lượng nhiệt do tường cấp bằng bức xạ và bằng đối lưu:
Q = Q + Q = α F ⋅τ t −t +α F ⋅τ t −t bx dl bx ( T K ) dl ( T K )
Q = (α +α F ⋅τ t −t bx dl ) ( T K )
αdl - hệ số cấp nhiệt do đối lưu α
αbx - hệ số cấp nhiệt do bức xạ. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4 1.4. Truyền nhiệt
1.4.2. TRUYỀN NHIỆT ĐẲNG NHIỆT QUA TƯỜNG PHẲNG VÀ TƯỜNG ỐNG
Truyền nhiệt: Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu
thể khác (cấp nhiệt, dẫn nhiêt và bức xạ nhiệt
The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and
then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.
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. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5 1.4. Truyền nhiệt
1.4.2. TRUYỀN NHIỆT ĐẲNG NHIỆT QUA TƯỜNG PHẲNG VÀ TƯỜNG ỐNG
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng
Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội gồm ba giai đoạn: (I)
Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến bề mặt tường (cấp nhiệt); (II)
Nhiệt dẫn qua tường (dẫn nhiệt ); (III)
Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể nguội (cấp nhiệt)
Giả thiết: Quá trình nhiệt ổn đinh, lượng nhiệt chuyển qua
mỗi giai đoạn cùng một khoảng thời gian thì bằng nhau QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường Vùng III: Cấp nhiệt phẳng
đối lưu từ tường đến lưu thể lạnh Định luật NEWTON
Q =α .F. t −t 2 ( T2 2) t1 tT1 tT2 t2
Vùng I : Cấp nhiệt đối Q nóng Q lạnh
lưu từ lưu thể nóng đến tường Định luật NEWTON
Q =α .F. t −t 1 ( 1 T1) Vùng II : dẫn nhiệt qua tường Q λ = (t 1 −t T T 2 )⋅ F Định luật FOURIER δ 1.4. Truyền nhiệt
1.4.2. TRUYỀN NHIỆT ĐẲNG NHIỆT QUA TƯỜNG PHẲNG VÀ TƯỜNG ỐNG
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng ⎛ 1 δ 1 ⎞ Q + +
= F (.t − t 1 2 ) ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ α1 λ α2 ⎠ 1 Q =
⋅ F (.t − t 1 2 ) ⎛ 1 δ 1 ⎞ ⎜⎜ + + ⎟⎟ ⎝ α1 λ α2 ⎠ K: hệ số truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu
thể nóng đến lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phân cách
khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là 1 độ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8 1.4. Truyền nhiệt
1.4.2. TRUYỀN NHIỆT ĐẲNG NHIỆT QUA TƯỜNG PHẲNG VÀ TƯỜNG ỐNG
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng ⎛ 1 λ 1 ⎞ Q + +
= F (.t − t 1 2 ) ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ α1 δ α2 ⎠ Nhiệt trở của tường 1 Q =
⋅ F (.t − t 1 2 ) ⎛ 1 λ 1 ⎞ ⎜⎜ + +
⎟⎟ Nhiệt trở của ⎝ α1 δ α2 ⎠ hai lưu thể K: hệ số truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu
thể nóng đến lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phân cách QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là 1 độ 1.4. Truyền nhiệt
1.4.2. TRUYỀN NHIỆT ĐẲNG NHIỆT QUA TƯỜNG PHẲNG VÀ TƯỜNG ỐNG
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp 1 W K = , n 2 1 λ 1 i m đô + + ∑ α1 i 1 = δ i α2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống Q
Vùng I : Cấp nhiệt đối Q =α . t −t 2π r t − t 1 ( 1 T1) L 1 T1 = 1
lưu từ lưu thể nóng đến α 2π r L . 1 1 tường 2 L 1 ⎛ r ⎞ Q π = (t − t Q. 3 , 2 ⋅ln 2 T1 T 2 ) Vùng II : 1 r λ
⎜⎜ r ⎟⎟ 2 3 , 2 ⋅lg t −t ⎝ 1 ⎠ = dẫn nhiệt qua tườ λ ng r T1 T 2 1 2 L πQ Vùng III: Cấp nhiệt t − t T 2 2 =
Q =α t −t 2π r 2 ( T 2 2 ) 2
đối lưu từ tường đến α L2π r 2 2 lưu thể lạnh + Q t − t ⎡ 1 1 ⎛ r ⎞ 1 ⎤ 1 2 = Q + . 3 , 2 lg 2 R + R + R ⎢ + ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ 1 2 3 α r 1 1 λ r ⎝ 1 α r t −t ⎠ 2 2 ⎣ ⎦ 1 2 = 2 L π
Q = KT (t t 1 − ) L π 2 2 1 KT = 1 1 r 1 1 2 + 3 , 2 lg + r r K = 1 2 2 L π . R α r λ r α r Σ 1 1 1 2 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
- Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến
đổi theo thời gian (tương ứng từng vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu số
nhiệt độ giữa hai lưu thể có giá trị khác nhau)
- Không thể tính lượng nhiệt truyền đi với Δt = t1-t2 như trong truyền nhiệt
đẳng nhiệt mà phải tính theo nhiệt độ trung bình Δttb.
Chiều chuyển động của lưu thể Lưu thể nóng giảm 1 1
nhiệt độ từ t1đ đến nhiệt độ cuối t 2 1c. 1 2 Lưu thể nguội tăng 2
nhiệt độ từ t2đ đến 1 1 nhiệt độ cuối t2C. 2
Hiệu số nhiệt độ giữa
hai lưu thể thay đổi từ
trị số đầu Δtđ đến trị số cuối Δt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân C. 12 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình Xuôi
Vì hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi chiều
theo vị trí nên ta phải nghiên cứu hiện tượng
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.
Lượng nhiệt truyền qua một nguyên tố bề mặt dF
dQ = K(t t 1 − 2 )dF, W Đối với lưu thể nóng
Đối với lưu thể nguội dQ = G − C dt dQ = G C dt 1 1 1 2 2 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình ⎛ 1 1 ⎞ Xuôi d(t t dQ 1 − 2 ) = − ⎜⎜ + ⎟⎟ chiều ⎝ G C G C 1 1 2 2 ⎠ d(t t 1 − 2 ) dQ = − ⎛ 1 1 ⎞ ⎜⎜ + ⎟⎟ ⎝ G C G C 1 1 2 2 ⎠ d t t K(t t dF 1 − 2 ) ( 1 − 2 ) = − ⎛ 1 1 ⎞ ⎜⎜ + ⎟⎟ ⎝ G C G C 1 1 2 2 ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình
t1 −t2 = t Δ Xuôi d(Δt) ⎛ 1 1 ⎞ chiều
t1 −t2 = t d d Δ d = −KdF⎜⎜ + ⎟⎟ Δt ⎝ G C G C 1 1 2 2 ⎠
t1 −t2 = t c c Δ c Δtc d( F Δt) ⎛ 1 1 ⎞ ∫ = −K dF ⎜⎜ + ⎟⎟ t G C G C ∫ Δ Δt 1 1 2 2 d ⎝ ⎠0 1 1 −K ⎛ ⎞ + F t Δ 1 1 c ⎛ ⎞ ⎜⎜ G C G C ln = −K + F ⇒ t Δ = t Δ e ⎟⎟ ⎝ 1 1 2 2 ⎠ c d t ⎜⎜ Δ G C G C ⎟⎟ d ⎝ 1 1 2 2 ⎠ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình
Theo qui luật cân bằng nhiệt lượng Q = G C 1 1 1(t − t = G C t − t d 1 c 1 ) 2 2 ( 2c 2d ) 1 1 (t −t d 1 2d ) − (t − t c 1 2c ) + = G C G C Q 1 1 2 2 1 1 t Δ − t d Δ c + = G C G C Q 1 1 2 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình t Δ t Δ − t d ⇒ ln = KF d Δ c t Δ Q c t Δ − t d Δ c ⇒ Q = KF t Δ d ln tΔc Δttb Q = KF t Δ t Δ t Δ + t d ≤ 2 d Δ c t Δ = tb tb t Δ 2 c QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17 1.4. Truyền nhiệt
1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH
Hiệu số nhiệt độ trung bình Chảy ngược
lấy hiệu số nhiệt độ nào lớn chiều t Δ − t d Δ c ⇒ t Δ
hơn làm hiệu số nhiệt độ đầu tb = t Δ Δt d ln
d và hiệu số nhiệt độ nào
nhỏ hơn làm hiệu số nhiệt độ t Δ c cuối Δtc. Chảy chéo dòng t Δ − t d Δ c ⇒ t Δ tb = ε tΔ t Δ d ln tΔc
Hệ số εΔt phụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của các chất thải nhiệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18 1.4. Truyền nhiệt
1.4.4. CHỌN CHIỀU LƯU THỂ
Khi truyền nhiệt ổn định, có 3 trường hợp:
- Cả hai lưu thể cùng không biến đổi nhiệt độ theo vị trí cũng như thời gian
- Một trong hai lưu thể không biến đổi nhiệt độ trong suốt quá trình trao đổi nhiệt
còn lưu thể kia thì biến đổi nhiệt độ theo vị trí từ tđ đến tc nhưng không biến đổi theo thời gian
- Cả hai lưu thể đều biến đổi nhiệt độ theo vị trí, nhưng không biến đổi theo thời gian. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19 1.4. Truyền nhiệt
1.4.4. CHỌN CHIỀU LƯU THỂ Q = G C 1 1(t − t = G C t − t d 1 c 1 ) 2 2 ( 2c 2d ) Q = G C 1 1(t − t = G C t − t d 1 c 1 ) 2 2 ( 2c 2d ) G C 2 2 (t − t 2c 2d ) G G C 1 1(t − t d 1 c 1 ) 1 = G C 2 = 1 (t − t d 1 c 1 )
C2(t − t 2c 2d ) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20