›
›

Bài giảng Các quá trình truyền nhiệt - Nguyễn Minh Tân

pdf 117 trang phuongnguyen 30
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Các quá trình truyền nhiệt - Nguyễn Minh Tân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_cac_qua_trinh_truyen_nhiet_nguyen_minh_tan.pdf

Nội dung text: Bài giảng Các quá trình truyền nhiệt - Nguyễn Minh Tân

  1. GIÁO TRÌNH MÔN QTTB HÓA - THỰC PHẨM CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT GV: TS Nguyễn Minh Tân
  2. Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
  3. 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, 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
  4. 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: Quá 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
  5. 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
  6. Dẫn nhiệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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, Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
  11. 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 0 dn Grad t là vector - Có phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt - Chiều cùng 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
  12. 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 d thì tỉ lệ với gradt, bề mặt dF và thời gian d dt Q: nhiệt lượng, W dQ   dF d , J F: bề mặt vuông góc với phương dẫn dn nhiệt, m2 Quá trình ổn định: dt Gradt, °C/m dn dt Thời gian, s Q   F,W dn λ: độ dẫn nhiệt, w/m °C QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
  13. 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
  14. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.3. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Giả thiết: Z Qz+dz - Các tính chất vật lý (khối Q lượng riêng, nhiệt dung y 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
  15. 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 Q thời gian d được xác định y theo pt Fourrier dz Qx t Qx+dx Q  dydzd dy x x dx t Q  dxdzd y y Qy+dy t y x Qz  dxdyd z Qz - Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
  16. 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  dydzd  dxdydzd x dx x x x Z Qz+dz t  t Q Qy dy  dxdzd  dxdydzd y y y y dz Qx t  t Qx+dx Q  dydxd  dxdydzd dy z dz z z z dx Qy+dy y x Qz QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
  17. 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: 2t dQ Q Q  dxdydzd x x dx x x2 2t dQ Q Q  dxdydzd y y dy y y 2  2t dQ Q Q  dxdydzd z z dz z z 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
  18. 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 dQx dQy dQz 2t 2t 2t   dQ 2 2 2 dxdydzd x y z dQ 2t dV d QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
  19. 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 C dV  d  C: Nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.độ Khối lượng riêng của vật thể, kg/m3 t d 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 2 t C  t a2t    a QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân C 18
  20. 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 2t 0 Hoặc  2t  2t  2t 0 x2 y 2 z 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19
  21. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG 2 Tường phẳng một lớp  t y 0 x2 tT1 t C1 x tT2 δ Điều kiện biên: t C2 C1x t t C x x 0 T1 2 t t t t C  t T2 T1 x  T2 1 T1 hay C1 t t  t T2 T1 x t  T2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
  22. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG Tường phẳng một lớp y t tT tT 2 1 x  tT1 t t tT2 T2 T1 dQ  dFd , J δ  Với quá trình ổn định x t t Q  T1 T2 F, W  QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21
  23. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG PHẲNG Tường phẳng nhiều lớp y   1 1 t Lớp thứ nhất Q tT t1 F Q F tT t1 T1  1  1 t1 1 1 t2 2 Lớp thứ hai Q F t1 t2 tT2  2  Lớp cuối cùng Q n F t t n T2  n δ1 δ2 δ3 x t t F Q T1 T2 , W Hoặc n   i i 1 i QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22
  24. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG Tường ống một lớp r i Lượng nhiệt dẫn qua lớp tường ống (theo Fourier) r1 r o r dt L 2 dQ  2 rLd , J dr dt Dẫn nhiệt ổn định Q  2 rL, W dr dr 2 rL  dt, W r Q QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23
  25. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG r i r1 r o Tường ống một lớp r L 2 Tích phân từ r1 tới r2 và theo nhiệt độ từ tT1 đến tT2 tT2 r2 dr 2 L  dt r1 r Q tT1 Phương trình dẫn nhiệt qua tường r L trụ một lớp trong trạng thái ổn định ln 2 2 t t r Q T1 T2 2 L t t 1 Q T1 T2 , W 1 r 2,3lg 2  r1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24
  26. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.4. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA TƯỜNG ỐNG Tường ống nhiều lớp 2 L t t Q T1 T2 , W n 1 r 2,3lg i 1 i 1 i ri r2 2 Dùng phương trình tường phẳng r1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25
  27. Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
  28. 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
  29. 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 3
  30. 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 4
  31. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.1. ĐỊNH LUẬT CẤP NHIỆT NEWTON Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp, để đơn giản hóa, người ta dùng định luật cấp nhiệt của NEWTON Lượng nhiệt dQ do một phân tố bề mặt dF của vật rắn cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian d thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường, với dF và d dQ tT t dFd Với quá trình ổn định: Q tT t F, W QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
  32. 1.2. Nhiệt đối lưu Hệ số cấp nhiệt : là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh(hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian một giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hoặc ngược lại) là 1 độ. Q W   2 tT t F m C Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: •Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi) •Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt •Tính chất vật lý của chất tải nhiệt •Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt, QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
  33. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU - Cơ sở Định luật cân bằng nhiệt - Tách phân tố thể tích dV=dxdydz từ dòng chảy - Chỉ xét trường hợp trao đổi nhiệt ổn định Lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi phân tố dV do các phần tử của môi trường chuyển động mang vào và mang ra Lượng nhiệt mang vào tính trên trục ox trong một đơn vị thời gian: Qx C pt Wxdydz Trong cùng thời gian đó, lượng nhiệt mang ra khổi mặt đối diện là:  C pt Wx Q Q dQ C t W dydz dxdydz x dx x x p x x QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
  34. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU  Wx t Qx dx Qx dQx C pt Wx dydz C p t Wx dxdydz x x Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:  Wx t dQx Qx dx Qx C p t Wx dxdydz x x Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Oy tích lại trong phân tố dV:  Wy t dQy Qy dy Qy C p t Wy dxdydz y y Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:  Wz t dQz Qz dz Qz C p t Wz dxdydz z z QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
  35. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU Lượng nhiệt toàn phần: dQ dQx dQy dQz   Wx Wy  Wz t t t  dQ C p t Wx Wy Wz dV x y z x y z   W  Wy  W Với dòng liên tục có: x z 0 x y z Nên: t t t  dQ C p Wx Wy Wz dV x y z  QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
  36. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU Với quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt ở trong nguyên tố dV là không đổi. Lượng nhiệt này phải bằng lượng nhiệt dẫn qua các mặt của dV là dQ: t t t  2 dQ C p Wx Wy Wz dV   t dV x y z  Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff: t t t  2  2 2 C p Wx Wy Wz    t  t a  t x y z  C p QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
  37. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.3. ĐỒNG DẠNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình: -Phương trình vi phân cân bằng của Ơle -Phương trình dòng liên tục -Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển pt vi phân thành pt chuẩn số QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
  38. 1.2. Nhiệt đối lưu Chuẩn số Nuxen Trong quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt truyền do dẫn nhiệt phải bằng lượng nhiệt truyền do cấp nhiệt: dt t t  T dn Đưa chuẩn số đồng dạng vào: at dt aaat tT t aa  al dn a a t l l aaat aa aa idem Nu Nu al a  Chuẩn số Nuxen đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
  39. 1.2. Nhiệt đối lưu Chuẩn số Pecle Được rút ra từ phương trình Fourier- Kirchhoff Ví dụ đối với trục ox: Rút ra: l1 l2 w1 w2 idem a1 a2 t 2t w a wl x   2 x Pe x a Ngoài các chuẩn số trên, từ các pt chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr, Re, nên có thể biểu diễn: F Nu, Pe, Eu,Pr,Re 0 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
  40. 1.2. Nhiệt đối lưu Trong khi Eu f Re Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường wl Pe   C Pr a p Re wl a    2 gl wl gl 3 Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile, Ga: 2 Ga Fr.Re 2 2 w   Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên: gl 3 Gr  t  2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
  41. 1.2. Nhiệt đối lưu Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số là F Nu, Pe, Eu,Pr,Re 0 Nu f ' Re,Pr,Gr Quá trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối lưu tự nhiên: Nu f ' Pr,Gr Với các chất khí, chuẩn số Pr không biến đổi nhiều theo nhiệt độ: Chuyển động cưỡng bức Nu f3 Re Đối lưu tự nhiên Nu f3 Re Dạng cụ thể ở dạng hàm số mũ Nu CRek PrmGrn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
  42. 1.2. Nhiệt đối lưu Hệ số được xác định theo quan hệ :  C Rek PrmGrn l Hệ số cấp nhiệt chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
  43. Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
  44. 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
  45. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7 Nu C PrGr n Với ống truyền nhiệt nằm ngang 0,25 0,23 Pr Nu 0,51 PrGr PrT PrT: chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng Với không khí Nu 0,47Gr0,25 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
  46. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống thẳng 0,25 0,8 0,43 Pr Re > 10.000   Nu 0,021K Re Pr Gr εk: ảnh hưởng của L/d tới hệ số cấp nhiệt PrT Với chất khí 0,8 Nu CK Re 0,9 0,43 2300>Re > 10.000 Nu 0,008K Re Pr 0,25 Pr Re < 2300  0,33 0,43 0,4 Nu 0,15 d Re Pr Gr PrT QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
  47. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống cong: do tác dụng của lực ly tâm, độ xoáy sẽ tăng lên, cường độ trao đổi nhiệt tăng lên d 1 1,77 c R d: đường kính trong của ống xoắn R: Bán kính cong của vòng xoắn QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
  48. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: 0,45 0,8 0,4 dtn Nu 0,23 Re Pr dnt dtn: đường kính trong của ống ngoài dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
  49. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: 0,45 0,8 0,4 dtn Nu 0,23 Re Pr dnt dtn: đường kính trong của ống ngoài dnt: đường kính ngoài của ống trong QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
  50. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống: n 0,4 Nu C  K Re Pr  n 0,4 C  K Re Pr dn dn: đường kính ngoài của ống C,n: Hệ số phụ thuộc Re QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
  51. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: Dãy ống thứ ba (thẳng hàng) 0,25 Pr Chất khí Nu 0,23 Re0,65Pr0,33 Nu 0,21 Re0,65 PrT Dãy ống thứ ba (xen kẽ) 0,25 Pr Chất khí Nu 0,41 Re0,60Pr0,35 Nu 0,37 Re0,60 PrT QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
  52. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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 1F1 2 F2 3F3 tb F1 F2 F3 Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng tb 3 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
  53. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống: 0,6 0,8 0,23 Nu 1,16 Dtd Re Pr  0,6 0,8 0,23 1,16 Dtd Re Pr dn Dtd: đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
  54. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn: 0,14 0,6 Pr 0,6 0,23 Nu C Dtd Re Pr PrT 0,14   0,6 0,6 0,23 C Dtd Re Pr dn T Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72 Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
  55. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân: 0,54 0,14 d h Nu C n Ren Pr 0,4 t t Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8 dn: đường kính ngoài của ống t: bước của gân,m h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m C,n: Hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống: xếp thẳng hàng C = 0,116 n= 0,72 xếp xen kẽ C = 0,25 n= 0,65 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
  56. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng: Re>10.000 0,25 d 0,8 0,43 tn Không khí Nu 0,037 Re Pr 0,2 dnt Nu 0,032Re Re <100.000 0,25 d 0,5 0,63 tn Không khí Nu 0,76Re Pr 0,5 dnt Nu 0,66Re QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
  57. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng: Re>2.000 1 3 Nu 0,01Ga.Pr.Re Re <2.000 1 Nu 0,67Ga2 Re 9 Pr3 Trong đó H H2 g2 Nu Ga Các đại lượng vật lý lấy theo  2 nhiệt độ trung bình của màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
  58. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 0,14 Nu C Pr0,33 .Rem  T Trong đó 2 H d Cp  Nu Re Pr    Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67 Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62 Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
  59. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy 0,14 Nu C Pr0,33 .Rem  T Trong đó 2 H d Cp  Nu Re Pr    Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67 Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62 Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
  60. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Ngưng tụ giọt Ngưng tụ màng - Bề mặt thành thiết bị không - Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước thấm nước ngưng 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 Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18
  61. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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: t t Q  bh T F , J  Theo phương trình tổng quát Q tbh tT F QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19
  62. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
  63. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng hoặc trên mặt tường thẳng đứng: 2 3 2 3 r  g r  2 1,154 2,044 , W / m C  tH  tH t tbh tT r Với hơi nước 2,04A4 , W / m2 C tH QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21
  64. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một ống nằm ngang: 2 3 2 3 r  g r  2 0,724 1,284 , W / m C  td  td t tbh tT r Với hơi nước 1,28A4 , W / m2 C td QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22
  65. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang: - 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: td  tb Hệ số phụ thuộc cách Hệ số cấp nhiệt sắp xếp ống và số ống của hơi ngưng tụ trên mỗi dãy (tra đồ thị trên một ống thực nghiệm) nằm ngang. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23
  66. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24
  67. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi - Một chất lỏng bất kỳ 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25
  68. 1.2. Nhiệtj đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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 nóng và chất lỏng sôi q t, W / m2 -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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26
  69. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi -Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm 0,13 0,7 2 tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng, n 3,14 p q , W / m C chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp nhiệt ? Hoặc 0,5 2,33 2 n 45,3p t , W / m C Với các chất lỏng không phải là nước  n 0,435 Với 0,565 2 2  C   dd dd dd dd   n n Cn n QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 27
  70. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT 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 nóng và chất lỏng sôi q t, W / m2 -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 ? 0,13 0,7 2 n 3,14 p q , W / m C Hoặc 0,5 2,33 2 n 45,3p t , W / m C QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 28
  71. Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
  72. 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
  73. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể: - Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ năng lượng - Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng trắng ( = 0,4 – 400 m) - Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác, bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt ? - Quá tình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng: - biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát) - biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu) - Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc: bản chất, trạng thái bề mặt, hình dạng, kích thước, của vật phát và vật thu) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
  74. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Q QR Q QA QR QD Q Q Q A R D 1 Q Q Q QA Q QD A A Hệ số hấp thụ Q A = 1 : Vật đen tuyệt đối QR R Hệ số phản xạ D = 1 : Vật trong tuyệt đối Q Q R =1 : Vật trắng tuyệt đối D D Hệ số khúc xạ Q D = 0 : Vật xám đục QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
  75. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Dòng bức xạ Q (W): Lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng, trong một đơn vị thời gian Bức xạ đơn Lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp - + d Năng suất bức xạ (E, W/m2): dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ dQ E W / m2 dF Khả năng bức xạ: tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER) EHD ER E 1 A Et QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
  76. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bức xạ hiệu quả (q, W/m2): lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh tính trên một m2 Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường: q EA E A.Et E Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường: q E EA E A.Et Tổng quát: E 1 dấu + : vật nhận nhiệt từ môi E q 1 trường HD A A dấu - : vật tảo nhiệt ra môi trường QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
  77. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ĐỊNH LUẬT PLANCK  5 15 2 C1 C1 0,374.10 Wm E  0 C2 12 2  T C2 1,4388.10 m K Khả năng bức xạ e 1 đơn sắc của vật đen tuyệt đối 5 C1 E0 E0 d d C2 0 0 e T 1 C2 E  C o e maxT 1 1 0  5 T  max max QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
  78. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT 3 maxT 2,898.10 mK Định luật dịch chuyển Wien Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 – 100 m E ,T E0 ,T Độ đen (hệ số bức xạ) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
  79. 1.3. Nhiệt2 bức xạ 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ĐỊNH LUẬT STEFAN- BOLTZMANN Lấy tích phân phương trình của định luật Planck 4 T E K T 4 C 0 0 0 100 Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối 8 W C0 K0.10 5,7 m2 K 4 8 W K0 5,7.10 m2 K 4 Định luật Stefan – Bolztmann cũng đúng với vật xám 4 4 T T E E C C 0 0 100 100 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
  80. 1.3. Nhiệt2 bức xạ 1.3.2. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ BỨC XẠ NHIỆT ĐỊNH LUẬT KIRCHNOFF Tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ E(T) E0 T A(T) Với bức xạ đơn sắc E(T) E0 T A(T) QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
  81. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN Nhiệt lượng trao đổi giữa các vật phụ thuộc vào: -Bản chất vật lý -Hình dạng -Kích thước -Trạng thái bề mặt -Nhiệt độ -Vị trí tương đối của các vật, Khảo sát trong trường hợp trao đổi nhiệt giữa các vật trong môi trường trong suốt (không hấp thụ, không phản xạ hoặc tán xạ): -Bức xạ giữa hai vật thể đặt song song nhau -Bức xạ giữa hai vật thể bao bọc nhau -Bức xạ giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
  82. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau Lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật thể bằng hiệu giữa bức xạ hiệu dụng của vật thể 1 và vật thể 2 và bằng lượng nhiệt do vật thể 1 mất đi, chính là lượng nhiệt mà vật thể 2 nhận được q1 2 EHD1 EHD2 q1 q2 E 1 E 1 1 2 q1 2 q1 1 q2 1 A1 A1 A2 A2 4 4 4 4 A2 E1 A1E2 C0 T1 T2 T1 T2 q C 1 2 A A A A 1 1 100 100 1 2 100 100 1 2 1 2 1 A1 A1 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
  83. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau 4 4 T T 1 2 q1 2 C1 2 100 100 Với C0 F1: Bề mặt vật thể bị bao bọc C1 2 1 F 1 1 1 F2: Bề mặt vật thể bao bọc A1 F2 A2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
  84. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.3. BỨC XẠ GIỮA HAI VẬT THỂ RẮN Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kỳ trong không gian 4 4 T T 1 2  Q C1 2 1 2 , W 100 100 Với A1 A2 C1 2 C0 1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc theo số liệu thực nghiệm cos 1 cos 2 dF dF 1 2 r 1 2 F1 F2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
  85. 1.3. Nhiệt bức xạ 1.3.4. BỨC XẠ NHIỆT CỦA CÁC CHẤT KHÍ - 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 T Q  C , W K 0 100 Độ đen của Nhiệt độ khí của khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
  86. Phương thức tuyền nhiệt thứ ba Tại sao nhiệt lượng có thể truyền từ mặt trời đến trái đất? ? QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
  87. Bức xạ Bức xạ nhiệt truyền theo đường thẳng 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
  88. Thí nghiệm bức xạ Four containers were filled with warm water. Which container would have the warmest water after ten minutes? Dull metal Shiny black Shiny metal Dull black The ___shiny metal container would be the warmest after ten minutes because its shiny surface reflects heat ___radiation back into the container so less is lost. The ___dull black container would be the coolest because it is the best at ___emitting heat radiation. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18
  89. Thí nghiệm hấp thụ Four containers were placed equidistant from a heater. Which container would have the warmest water after ten minutes? Dull metal Shiny black Shiny metal Dull black The ___dull black container would be the warmest after ten minutes because its surface absorbs heat ___radiation the best. The ___shiny metal container would be the coolest because it is the poorest at ___absorbing heat radiation. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19
  90. Câu hỏi về Đối lưu Tại sao khí nóng bay lên cao,khí lạnh chìm xuống dưới Khí lạnh có mật độ cao hơn khí nóng, nên khí lạnh ‘nặng hơn”. 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 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
  91. Câu hỏi vể Bức xạ Tại sao tại những nước có khí hậu nóng, nhà ở 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. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21
  92. 1. Những phương thức nào không phải là phương thức truyền nhiệt? A. Bức xạ B. Cô lập C. Đối lưu D. Dẫn nhiệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22
  93. 2. Trong trạng thái nào, các phần tử nằm sát nhau nhất? A. Rắn B. Lỏng C. Khí QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23
  94. 3. Đau là vật liệu tốt nhất dùng phản xạ các tia bức xạ nhiệt? A. Sáng bóng B. Trắng mờ C. Đen bóng D. Đen mờ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24
  95. 5. Loại bề mặt nào hấp thụ bức xạ nhiệt tốt nhất? A. Sáng bóng B. Trắng đục C. Đen bóng D. Đen mờ QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25
  96. Bài tập - Xác định nhiệt lượng tổn thất do bức xạ qua bề mặt của thiết bị hình trụ 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. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26
  97. Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt GV: TS. Nguyễn Minh Tân Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
  98. 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
  99. 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: 4 4 TT TK Qbx C1 2 F  , W 100 100 o TTvà TK - nhiệt độ của tường và khí, K. bx 4 4 TT TK C1 2 100 100 Qbx   F  tT tK , W tT tK QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
  100. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.1. TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP Qbx bx   tT tK , W 1 W Hệ số bx là hệ số cấp nhiệt bằng bức xạ, có thứ nguyên là:  bx  2 2 m .s.đô m .đô Toàn bộ lượng nhiệt do tường cấp bằng bức xạ và bằng đối lưu: Q Qbx Qdl bx F  tT tK dl F  tT tK Q bx dl F  tT tK dl - hệ số cấp nhiệt do đối lưu bx - hệ số cấp nhiệt do bức xạ. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
  101. 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 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
  102. 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
  103. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng Vùng III: Cấp nhiệt đối lưu từ tường đến lưu thể lạnh Định luật NEWTON Q 2.F. tT 2 t2 t1 tT1 tT2 t2 Vùng I : Cấp nhiệt đối Q nóng Q lạnh lưu từ lưu thể nóng đến tường Định luật NEWTON Q 1.F. t1 tT1 Vùng II : dẫn nhiệt qua tường  Q tT1 tT 2  F Định luật FOURIER 
  104. 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  1 Q F. t1 t2 1  2 1 Q  F. t1 t2 1  1 1  2 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
  105. 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  1 Q F. t1 t2 1  2 Nhiệt trở của tường 1 Q  F. t1 t2 1  1 Nhiệt trở của 1  2 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 khi hiệu số nhiệtTS. Nguyễn độ giữa Minh hai Tân lưu thể là 1 độ 9
  106. 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 , 1 n  1 2  i m đô 1 i 1 i 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
  107. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống Q Vùng I : Cấp nhiệt đối Q 1. t1 tT1 2 r1L t 1 t T 1 lưu từ lưu thể nóng đến 1 2 r1 .L tường 2 L 1 r Q t t Q. 2,3ln 2 Vùng II : 1 r T1 T 2  r  2 1 2,3 lg tT1 tT2 dẫn nhiệt qua tường  r1 2 L Q Vùng III: Cấp nhiệt tT2 t2 Q 2 tT2 t2 2 r2 đối lưu từ tường đến 2L2 r2 lưu thể lạnh + Q t t 1 1 r2 1 1 2 R R R Q 2,3.lg 1 2 3 1 r1  r1 2 r2 t t 1 2 2 L Q KT t1 t2 2 L 1 K T 1 1 1 r2 1 r r K 2,3 lg 1 2 2 L . R 1r1  r1 2 r2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
  108. 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 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 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 tđ đến trị số cuối tC. QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
  109. 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 t1 t2 dF, W Đối với lưu thể nóng Đối với lưu thể nguội dQ G1C1dt1 dQ G2C2dt2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
  110. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH Hiệu số nhiệt độ trung bình 1 1 Xuôi d t1 t2 dQ chiều G1C1 G2C2 d t t dQ 1 2 1 1 G1C1 G2C2 d t1 t2 K t1 t2 dF 1 1 G1C1 G2C2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
  111. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH Hiệu số nhiệt độ trung bình t1 t2 t d t 1 1 Xuôi chiều t1d t2d td KdF t G1C1 G2C2 t1c t2c tc t c d t 1 1 F K dF t G C G C td 1 1 2 2 0 1 1 K F t 1 1 G C G C c 1 1 2 2 ln K F tc td e td G1C1 G2C2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
  112. 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 Q1 G1C1 t1d t1c G2C2 t2c t2d 1 1 t t t t 1d 2d 1c 2c G1C1 G2C2 Q 1 1 t t d c G1C1 G2C2 Q QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
  113. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH Hiệu số nhiệt độ trung bình t t t ln d KF d c tc Q t t Q KF d c t ln d tc ttb t t t d 2 t d c Q KF t tb tb tc 2 QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
  114. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.3. TRUYỀN NHIỆT BIẾN NHIỆT ỔN ĐỊNH Hiệu số nhiệt độ trung bình Chảy ngược t t lấy hiệu số nhiệt độ nào lớn chiều t d c hơn làm hiệu số nhiệt độ đầu tb t và hiệu số nhiệt độ nào td d ln nhỏ hơn làm hiệu số nhiệt độ tc cuối tc. Chảy chéo dòng t t t  d c tb t t ln d tc Hệ số  t phụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của các chất thải nhiệt QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18
  115. 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
  116. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.4. CHỌN CHIỀU LƯU THỂ Q G1C1 t1d t1c G2C2 t2c t2d Q G1C1 t1d t1c G2C2 t2c t2d G C t t G 2 2 2c 2d G1C1 t1d t1c 1 G2 C1 t1d t1c C2 t2c t2d QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
  117. Bài tập QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21