Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và được sử dụng rất
rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp
chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp
rượu, bia, sinh học, đo lường tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây
dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo vật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo
máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sống vv.
Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đãphát triển rất mạnh mẽ, được sử
dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và
trở thành ngành kỹ thuật vô cùng quan trọng, không thể thiếu được
trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nước.
Dưới đây chúng tôi trình bày một số ứng dụng phổ biến nhất của kỹ
thuật lạnh hiện nay.
50 trang |
Chia sẻ: maiphuongdc | Lượt xem: 6753 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Lý thuyết truyền nhiệt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
lt; 50 thì hệ số toả nhiệt cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh.
3.2.1.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chấy rối
Rl
25,0
WƯ
f43,0 ..
Pr
Pr
Re021,0 εε⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛= f0,8ff PrNu (3-14)
tr−ờng hợp:
d
l
> 50 thì ε1 = 1
Nếu
d
l < 50: ε1 tra bảng
3.2.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống
3.2.3.1. Đối với chùm ống song song
sl
25,0
WƯ
f33,0 ..
Pr
Pr
Re026,0 εε⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛= f0,65ff PrNu (3-15)
εi - hệ số kể đến thứ tự hàng ống.
Đối với hàng ống thứ nhất ε1 = 0,6, hàng ống thứ hai ε2 = 0,9, hàng ống thứ ba trở
đi ε3 = 1.
εs - hệ số kể đến ảnh h−ởng của b−ớc ống theo chiều sâu.
15,0
2
s d
S
s ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
3.2.3.1. Đối với chùm ống so le
95
sl
25,0
WƯ
f33,0 ..
Pr
Pr
Re41,0 εε⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛= f0,6ff PrNu (3-16)
εi - hệ số kể đến thứ tự hàng ống.
Đối với hàng ống thứ nhất ε1 = 0,6, hàng ống thứ hai ε2 = 0,7, hàng ống thứ ba trở
đi ε3 = 1.
εs - hệ số kể đến ảnh h−ởng của b−ớc ống theo chiều sâu.
2
1
S
S < 2
15,0
2
1
s S
S
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛=ε
2
1
S
S
> 2 εs = 1,12
S2 – b−ớc dọc, S1 – b−ớc ngang,
Trong các công thức trên, Rè = 10
3 ữ 105. Kích th−ớc xác định là đ−ờng
kính ngoài. Nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf .
3.2.4 Toả nhiệt khi biến đổi pha
3.2.4.1. Toả nhiệt khi sôi
Khi n−ớc sôi bọt ở áp suất p = 0,2 ữ 80 bar:
α = 0,46.∆t2,33.p0,5, W/m2.K
∆t = tw – ts
tw - nhiệt độ bề mặt vách đốt nóng,
ts - nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất sôi;
p - áp suất sôi;
3.2.4.1. Toả nhiệt khi ng−ng màng
Ng−ng trên bề mặt vách ống đứng:
4
ws
3
d d)tt(
.g..r943,0 −γ
λρ=α , w/m2.K (3-18)
Ng−ng trên bề mặt ống nằm ngang:
4
ws
3
n d)tt(
.g..r724,0 −γ
λρ=α , w/m2.K (3-18)
trong đó:
g - Gia tốc trọng tr−ờng , 9,81 m/ss
λ - hệ số dẫn nhiệt cuả chất lỏng, W/m.K;
r - nhiệt ẩn hoá hơI, J/kg;
ρ - khối l−ợng riêng của chất lỏng ng−ng, kg/m3;
ν - độ nhớt động học, m2/s;
h – chiều cao của vách hoặc ống đặt đứng, m;
96
d - đ−ờng kính ngoàI của ống, m;
tw - nhiệt độ bề mặt vách,
0C;
ts - nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất sôi;
Trong các công thức trên, nhiệt độ xác định là tm = 0,5(tw + ts).
3.3 BàI tập về dẫn nhiệt
Bài 3.1 Vách buồng sấy đ−ợc xây bằng hai lớp gạch đỏ cố độ dày 250 mm, có
hệ số dẫn nhiệt bằng 0,7 W/mK; lớp nỉ bọc ngoài có hệ số dẫn nhiệt bằng 0,0465
W/mK. Nhiệt độ mặt t−ờng bên trong buồng sấy bằng 1100C. Nhiệt độ mặt t−ờng
bên ngoài bằng 250C. Xác định chiều dày lớp nỉ để tổn thất nhiệt qua vách buồng
sấy không v−ợt quá 110W/m2. Tính nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp.
Lời giải
Mật độ dòng nhiệt qua vách buồng sấy:
2
2
1
1
2WƯ1WƯ ttq
λ
δ+λ
δ
−= , W/m2,
2
1
12WƯ1WƯ
2 .q
tt λ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
λ
δ−−=δ
0465,0.
7,0
25,0
110
25110
2 ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −−=δ = 0.019 m.
Vậy chiều dày lớp nỉ bằng 0,019 m.
Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp dựa vào đIều kiện dòng nhiệt ổn định:
λ
−==
q
tt
qq 2WƯ1WƯ1 :
1
1
1WƯ1 qtt λ
δ−=
C7,70
7,0
25,0.110110t 01 =−=
Bài 3.2 Vách phẳng hai lớp có độ chênh nhiệt độ 105 0C, chiều dày dày và hệ số
dẫn nhiệt t−ơng ứng của hai lớp: δ1 = 100 mm, δ2 = 50 mm, λ1 = 0,5 W/mK, λ2 =
0,1 W/mK. Xác định mật độ dòng nhiệt qua vách
Lời giải
Mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng hai lớp theo (3-1) với δ1 = 100 mm =
0,1 m; δ2 = 50 mm = 0,05 m và ∆t = tW1 – tW2 = 105 0C:
97
150
1.0
05,0
5,0
1,0
105ttq
2
2
1
1
2WƯ1WƯ =
+
=
λ
δ+λ
δ
−= , W/m2,
Bài 3.3 Biết dòng nhiệt qua vách phẳng dày 20 cm, có hệ số dẫn nhiệt 0,6
W/m.K là 150 W/m2. Xác định độ chênh nhiệt độ giữa hai mặt vách.
Lời giải
Theo (3-1), mật độ dòng nhiệt qua vách phẳng một lớp với q = 150 W/m2,
δ = 20 cm = 0,2 m; ∆t = tW1 – tW2 :
λ
−=
q
tt
q 2WƯ1WƯ ; ∆t =
6,0
2,0.150.q =λ
δ
= 50 0C.
Bài 3.4 Vách trụ dài 1 m, đ−ờng kính d2/d1 = 144/120 mm,có độ chênh nhiệt độ
giữa hai mặt vách 60C0, hệ số dẫn nhiệt của vách 0,4 W/m.K. Xác định dòng
nhiệt dẫn qua vách.
Lời giải
Dòng nhiệt qua vách trụ một lớp theo (3-2) với l = 1 m; ; ∆t = tW1 – tW2 =
60 0C:
WƯ7,826
120
144ln
4,0.14,3.2
1
60.1
d
d
ln
2
1
)tt.(l
q.lQ
1
2
21
l ==
πλ
−==
Bài 3.5 Một ống dẫn hơi bằng thép đ−ờng kính d2/d1 = 110/100 mm, hệ số dẫn
nhiệt λ1 = 55 W/mK đ−ợc bọc một lớp cách nhiệt có λ2 = 0,09 W/mK. Nhiệt độ
mặt trong ống tw1 = 200
0C, nhiệt độ mặt ngaòi lớp cách nhiệt tw3 = 50
0C.
Xác định chiều dày δ và nhiệt độ tW2 để tổn thất nhiệt qua vách ống không
v−ợt quá 300W/m.
Lời giải
Dòng nhiệt trên 1 m chiều dài ống theo (3-2) với vách 2 lớp:
2
3
21
2
1
3WƯ1WƯ
l
d
d
ln
2
1
d
d
ln
2
1
)tt(
q
πλ+πλ
−=
2
1
2
1l
3WƯ1WƯ
2
3 2
d
d
ln
2
1
q
)tt(
d
d
ln πλ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
πλ−
−=
98
282,009,0.14,3.2
100
110ln
55.14,3.2
1
300
50200
d
d
ln
2
3 =⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −−=
282,0
2
3 e
d
d =
d3 = d2.e
0,282 = 110. e0,282 = 146 mm.
Chiều dày cách nhiệt δ:
18
2
110146
2
dd 23 =−=−=δ mm.
Để tìm nhiệt độ giữa hai lớp tW2 ta dựa vào đIều kiện tr−ờng nhiệt độ ổn
định: q1 = q11 =q12 = const.
1
2
1
2WƯ1WƯ
1ll
d
d
ln
2
1
)tt(
qq
πλ
−==
1
2
1
11WƯ2WƯ d
d
ln
2
1qtt πλ−=
9,199
100
110ln
55.14,3.2
1300200t 2WƯ =−= 0C.
Bài 3.6 Một thiết bị sấy bằng đIện đ−ợc chế tạo từ các dây hợp kim niken-crom
đ−ờng kính d = 2 mm, dài 10 m. Không khí lạnh thổi vào thiết bị sấy có nhiệt độ
200C. Tính nhiệt l−ợng toả ra trên 1 m dây, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm của
dây. Nếu dòng điện đốt nóng có c−ờng độ 25 A, điện trở suất ρ = 1,1 Ωmm2/m,
hệ số dẫn nhiệt λ = 17,5 W/mK, hệ số toả nhiệt từ bề mặtdây tới không khí α =
46,5 W/m2.K.
Lời giải
Điện trở của dây đốt nóng:
5,3
1.14,3
10.1,1
S
lR 2 ==ρ= Ω,
Nhiệt do dây toả ra:
Q = R.I2 = 3,5. 252 = 2187,5 W,
Nhiệt l−ợng toả ra trên 1 m dây:
m/WƯ75,218
10
5,2187
I
Qq l ===
Năng suất phát nhiệt:
3622
0
l
v m/WƯ10.7,69001,0.14,3
75,218
r
q
q ==π=
Nhiệt độ bề mặt dây:
99
769
5,46.2
10.1.10.7,6920
2
rq
tt
36
0v
fw =+=α+=
−
C0,
Nhiệt độ tại tâm dây:
5,17.4
10.10.1.7,69
5,46.2
10.1.10.7,6920r
4
q
2
rq
tt
6636
2
0
v0v
f0
−−
+=λ+α+=
t0 = 770 C0.
Bài 3.7 Một tấm cao su dày = 2 mm, nhiệt độ ban đầu t0 = 140 0C đ−ợc làm
nguội trong môi tr−ờng không khí có nhiệt độ tf = 140 0C. Xác định nhiệt độ bề
mặt và nhiệt độ tâm của tấm cao su sau 20 ph. Biết hệ số dẫn nhiệt của cao su λ
= 0,175 W/mK, hệ số dẫn nhiệt độ a = 8,33.10-8 m2/s. Hệ số toả nhiệt từ bề mặt
tấm cao su đến không khí α = 65 W/m2.K.
Lời giải
71,3
075,0
01,0.65Bi ==λ
αδ= ,
1
01,0
60.20.10.33,8.aFo 2
8
2 ==δ
τ=
−
Căn cứ Bi = 3,71 và Fo = 1, từ đồ thị hình 3-2 và 3-1 ta có:
038,0* 1X =θ =
26,0* 0X =θ =
Vậy nhiệt độ bề mặt:
tX=δ = tf + θ*X=δ.(t0-tf)
tX=δ = 15 + 0,038.(140 –15) = 25,4 C0,
Nhiệt độ tai tâm:
tX=0 = tf + θ*X=0.(t0-tf)
tX=0 = 15 + 0,26.(140 –15) = 47,5 C
0,
Bài 3.8 Một t−ờng gạch cao 5 m, rộng 3m, dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt của
gạch λ = 0,6 W/mK. Nhiệt độ bề mặt t−ờng phía trong là 70 0C và bề mặt t−ờng
phía ngoài là 20 0C. Tính tổn thất nhiệt qua t−ờng.
Trả lời Q = n1800W,
3.4. BàI tập về toả nhiệt đối l−u
100
Bài 3.9 Bao hơi của lò đặt nằm ngang có đ−ờng kính d = 600 mm. Nhiệt độ mặt
ngoài lớp bảo ôn tW = 60
0C, nhiệt độ không khí xung quanh tf = 40
0C. Xác định
l−ợng nhiệt toả từ 1 m2 bề mặt ngoài của bao hơi tới không khí xung quanh.
Lời giải
Từ nhiệt độ không khí tf = 40
0C tra bảng 6 trong phần phụ lục của không
khí ta có:
λ = 0,00276 W/m.K , ν = 16,69.01-6 [ ]sm /2 , Prf = 0,699,
Cũng từ bảng 6 với tf = 40 C
0, ta có: PrW = 0,696. Ta nhận thấy Prf ≈ PrW
nên 1
Pr
Pr
25,0
WƯ
f =⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
,
Theo tiêu chuẩn Gr:
2
3
f
tlg.
Gr ν=
.∆β.
ở đây g = 9,81 m/ s2, 0032,0
27340
1
T
1
f
=+==β , ∆t = tW –tf = 20
0C.
826
3
10.87,4
)10.69,16(
20.0,6 0,0032. 9,81. == −fGr
Grf.Prf = 4,87.10
8.0,699 = 3,4.108
Ta dùng công thức (3-11):
Nuf = 0,5.(Grf.Prf)
0,25 = 0,5.(3,4.108)0,25 = 68.
Nuf = λ
α d.
Vậy hệ số toả nhiệt đối l−u:
6,0
027,0.68
d
.Nu ù =λ=α
L−ợng nhiệt toả từ 1 m2 bề mặt ngoài của bao hơi:
Q = α.∆t = 3,13.20 = 62,6 W/m2.
Bài 3.10 Tính hệ số toả nhiệt trung bình của dầu máy biến áp chảy trong ống có
đ−ờng kính d = 8 mm, dàI 1 m, nhiệt độ trung bình của dầu tf = 80 0C, nhiệt độ
trung bình của váchống tW = 20
0C. tốc độ chảy dầu trong ống ω = 0,6m/s.
Lời giải
Kích th−ớc xác định : đ−ờng kính trong d = 8.10-3 m.
Nhiệt độ xác định: tf = 80
0C.
Tra các thông số của dầu biến áp theo tf = 80
0C, ở bảng 8 phụ lục:
λ = 0,1056 W/m.K , ν = 3,66.10-6 [ ]sm /2 ,
β = 7,2.10-4 0K-1, Prf = 59,3, PrW = 298 Tra theo tW = 20 0C,
1310
10.66,3
10.8.6,0lRe 6
3
==ν
ω= −
−
101
Ref < 2300 dầu chảy tầng, do đó:
25,0
WƯ
f1,0
f
43,0
Pr
Pr
GrRe15,0 ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛= f0,33ff PrNu
Tính 26
94
)10.66,3(
)2080.(01.8.10.2,7.81,9.∆β.
−
−− −=ν= 2
3
f
tlg.
Gr
16198=fGr
Nuf = 0,15.1310
0,33.161980,1.59,30,43 25,0298
3,59 ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
Nuf = 16,3
Tính 215
10.8
1056,0.3,16
d
.Nu
3
ff ==λ=α − W/m2.K
Bài 3.11 Biết ph−ơng trình tiêu chuẩn trao đổi nhiệt đối l−u của không khí
chuyển động trong ống Nu = 0,021Re0,5. Nếu tốc độ của không khí giảm đI 2 làn
còn các đIều kiện khác không đổi, lúc này hệ số toả nhiệt α2 sẽ là bao nhiêu so
với α1. Ng−ợc lại nếu tốc độ tăng lên 2 lần thì α2 bằng bao nhiêu?
Lời giải
Vì Nu = λ
αl
; ν
ω= lRe nên ta có:
Nu = 0,021.Re0,5,
5,0d021,0l ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
ν
ω=λ
α
Chỉ khi có tốc độ thay đổi, các thông số khác không đổi, ta có:
α ∼ ω0,5 (α tỷ lệ với ω0,5)
α1 ∼ ω10,5 ; α2 ∼ ω20,5
1
5,0
1
2
1
2
2
1;
2
1 α=α=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
ω
ω=α
α
2
Vậy hệ số toả nhiệt α2 giảm đi 2 lần so với α1.
Ng−ợc lại, nếu tốc độ tăng lên 2 lần thì α2 tăng lên 2 lần so với α1. Chú
ý nếu tốc độ giữ không đổi còn đ−ờng kính giảm đi 2 lần thì α2 tăng lên 2 lần,
khi đ−ờng kính tăng lên 2 lần thì α2 giảm đi 2 lần so với α1.
Bài 3.12 Không khí ở nhiệt độ 27 C0 có độ nhớt động học 16.10-6 m2/s, trao đổi
nhiệt đối l−u tự nhiên với ống trụ nằm ngang đ−ờng kính 80 mm với nhiệt độ bề
mặt 67 . Xác định tiêu chuẩn đồng dạng.
Lời giải
102
Tiêu chuẩn đồng dạng Grf với ống trụ nằm ngang có kích th−ớc xác định
l =d:
2
3
f
tlg.
Gr ν=
.∆β.
ở đây: g = 9,81 m/s2 ( gia tốc trọng tr−ờng),
300
1
27273
1
T
1
f
=+==β
d = 80 mm = 0,08 m; ∆t = tW – tf = 67 – 27= 40 C0; ν = 16.10-6 m2/s.
626
3
10.616,2
)10.16.(300
40.9,81.0,08. == −fGr .
Bài 3.13 Một chùm ống so le gồm 10 dãy. Đ−ờng kính ngoàI của ống d = 38
mm. Dòng không khí chuyển động ngang qua chùm ống có nhiệt độ trung bình tf
= 500 C0. Tốc độ dòng không khí là 12 m/s. Xác định hệ số toả nhiệt trung bình
của chùm ống.
Lời giải
Kích th−ớc xác định: d = 38.10-3 m,
Nhiệt độ xác định: tf = 500 C
0.
Tra các thông số vật lý của không khí ứng với 500 C0 ở bảng 6 phụ lục, ta
có:
λ = 5,74.10-2 W/m.K , ν = 79,38.10-6 [ ]sm /2 , Prf = 0,687.
Tính: 6
3
è 10.38.79
10.38.12d.Re −
−
=ν
ω=
Ref = 5745,
Tính theo (3-16) với hàng ống thứ 3:
33,0Re41,0 f
0,6
ff PrNu = (với không khí coi Prf = PrW và bỏ qua ảnh
h−ởng của b−ớc ống εS = 1),
33,05745.41,0 .0,687Nu 0,6f =
Nù = 65,2.
Tính 3
2
ù
3 10.38
10.74,5.2,65
d
.Nu
−
−
=λ=α
α2 = 98,5 W/m2.K,
Hệ số toả nhiệt trung bình của chùm ống so le:
n
).2n( 321 α−+α+α=α
6,91
10
3,9
10
).210(.7,0.6,0 3333 =α=α−+α+α=α W/m2.K.
103
Bài 3.14 Xác định hệ số toả nhiệt và l−ợng hơi nhận đ−ợc khi n−ớc sôi trên bề
mặt có diện tích 5 m2. Biết nhiệt độ của vách tW = 156
0C và áp suất hơi p = 4,5
bar.
Lời giải
Nhiệt độ sôi (nhiệt độ bão hoà ) t−ơng ứng với p = 4,5 bar là ts = 148 0C.
Nhiệt ẩn hoá hơi r = 2120,9 kJ/kg. (tra bảng 4 phụ lục):
∆t = tW – ts = 156 – 148 = 80C,
Hệ số toả nhiệt khi sôi bọt theo (3-17):
α = 46. ∆t2,33.p0,5 = 46.82,33.4,50,5
α = 12404 W/m2.K.
Nhiệt l−ợng bề mặt vách truyền cho n−ớc:
Q = α.F.( tW – ts) = 12404.5.(156 – 148)
Q = 496160 W,
L−ợng hơI nhận đ−ợc sau 1 giờ:
842
10.9,2120
3600.496160G 3 == kg/h.
116
Ch−ơng 4
trao đổi nhiệt bức xạ và truyền nhiệt
4.1. trao đổi nhiệt bức xạ
4.1.1 Hai tấm phẳng song song
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
4
1
4
1
0qd12 100
T
100
T
.C.q , (W/m2). (4-1)
Độ đen qui dẫn:
111
1
21
qd
−ε+ε
=ε (4-2)
Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối:
C0 = 5,67 W/m
2.K4
4.1.2 Hai tấm phẳng song song có mằng chắn
Khi có n máng chắn ở giữa với độ đen εm = ε1 = ε2, lúc này bức xạ từ tấm
phẳng 1 sang tấm phẳng 2 sẽ giảm đi (m+1) lần:
)1m(
q
)q( 12m12 += (4-3)
4.1.3 Hai vật bọc nhau:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
4
1
4
1
10qd12 100
T
100
T
.F.C.q , (W/m2). (4-4)
Độ đen qui dẫn:
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −ε+ε
=ε
11
F
F1
1
22
1
1
qd (4-5)
F1 – diện tích bề mặt vật bị bọc (vật nhỏ)
F2 – diện tích bề mặt vật bọc (vật lớn)
Chú ý: Nếu hai tấm phẳng hoặc hai vật là vật trắng tuyệt đối (vật có hệ số phản xạ
R = 1, hệ số hấp thụ A và độ đen ε: A = ε = 0) thì độ đen qui dẫn εqd = 0 hay Q12 =
0.
4.2. truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.1 Truyền nhiệt
4.2.2.1. Truyền nhiệt qua vách phẳng
)tt(kq 2f1f −= (4-6)
117
Hệ số truyền nhiệt của vách phẳng n lớp:
2
n
1i i
i
1
11
1k
α+λ
δ+α
=
∑
=
; W/m2.K,
tf1, tf2 - nhiệt độ của môi chất nóng và lạnh;
α1, α2 - hệ số toả nhiệt từ bề mặt đến môi chất,
δi, λi – chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i.
4.2.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ
)tt(kq 2f1f11 −= ; W/m, (4-7)
1n2
n
1 i
1i
i11
1
d
1
d
d
ln
2
1
d..
1
1k
+
+
πα+πλ+πα
=
∑
; W/m.K
k1 - hệ số truyền nhiệt qua vách trụ n lớp.
4.2.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ có cánh
)tt(kQ 2f1fc −= ; W (4-8)
22111
c
F
1
FF
1
1k
α+λ
δ+α
= ; W/K
k - hệ số truyền nhit của vách có cánh. Ng−ời ta làm cánh ở bề mặt phía có
giá trị hệ số α nhỏ.
Mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh với hệ số làm cánh:
1
2
c F
F=ε
)tt(kq 2f1f11 −= ; W/m2 (4-9)
c21
1
.
11
1k
εα+λ
δ+α
= ; W/m2.K,
Mật độ dòng nhiệt phía làm cánh:
)tt(kq 2f1f22 −= ; W/m2 (4-10)
2
c
1
c
2 1.
1k
α+λ
εδ+α
ε= ; W/m
2.K,
c
1
2
q
q ε=
118
Ta thấy khi hệ số làm cánh εc tăng mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh
q1 tăng và ng−ợc lại εc giảm thì q1 giảm. Còn khi tăng hệ số làm cánh εc mật độ
dòng nhiệt phía làm cánh q2 sẽ giảm và ng−ợc lại khi εc giảm thì q2 tăng
4.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt
4.2.2.1 Các ph−ơng trình cơ bản tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách
ngăn
a) Ph−ơng trình truyền nhiệt:
Q = k.F. ∆t; W, (4-11)
trong đó:
Q - l−ợng nhiệt trao đổi giữa hai môi chất,
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2
k - là hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt, W/m2K;
∆tx - độ chênh nhiệt độ trung bình.
b) Ph−ơng trình cân bằng nhiệt
Q = G1 Cp1(t1’ – t1”) = G2 Cp2 (t2” – t2’), (W) (4-12)
Chỉ số 1 là của chất lỏng nóng, chỉ số 2 là của chất lỏng lạnh.
- ký hiệu “ ‘ ” - các thông số đi vào thiết bị,
- ký hiệu “ “ ” - các thông số đi ra khỏi thiết bị,
G – l−u l−ợng khối l−ợng, kg/s:
G = V.ρ
V - l−u l−ợng thể tích, m3/s
ρ - khối l−ợng riêng, kg/ m3
Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K.
c) Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit
2
1
21
t
t
ln
tt
t
∆
∆
∆−∆=∆ , (4-13)
Đối với dòng chất lỏng chuyển động song song cùng chiều
∆t1 = t1’ - t2’ ;
∆t2 = t1” - t2”
Đối với dòng chất lỏng chuyển động song song ng−ợc chiều
∆t1 = t1’ – t2”;
∆t2 = t1”- t2’
4.2.2.2. Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
tk
QF ∆= (4-14)
4.3. BàI tập về bức xạ nhiệt và truyền nhiệt
119
Bài 4.1 Một thanh thép có nhiệt độ là 7270C, độ đen ε = 0,7. Tính khả năng bức
xạ của thanh thép. Nếu nhiệt độ giảm đi 2 lần thì khả năng bức xạ giảm đi mấy
lần.
Lời giải
Khả năng bức xạ của thanh thép:
4
0 100
TCE ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
T = 273 + 727 = 10000C,
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
4
100
1000.67,5.7,0E ; W/m2
E = 3,97.104; W/m2
Nếu nhiệt độ của thanh thép giảm đi 2 lần:
5,636
2
727273T =+= 0K;
4,6514
100
5,636.67,5.7,0E
4
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= ; W/m2
E = 6514,4; W/m2
Khả năng bức xạ giảm đi: 09,6
4,6514
10.97,3 4 = lần.
Bài 4.2 Hai tấm phẳng đặt song song, tấm thứ nhất có nhiệt độ t1 = 5270C, độ đen
ε1 = 0,8, tấm thứ hai có nhiệt độ t2 = 270C, độ đen ε2 = 0,6. Tính khả năng bức xạ
của mỗi tấm, độ đen qui dẫn và l−ợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai tấm
phẳng.
Lời giải
Khả năng bức xạ của thanh thép:
44
1
011 100
800.67,5.8,0
100
T
CE ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
E1 = 18579; W/m
2
44
2
022 100
300.67,5.6,0
100
T
CE ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
E2 = 275; W/m
2
L−ợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai tấm phẳng ứng với một đơn vị
diện tích theo (4-1) và (4-2):
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
4
2
4
1
0qd12 100
T
100
T
Cq
ở đây độ đen qui dẫn bằng:
120
526,0
1
6,0
1
8,0
1
1
111
1
21
qd =
−+
=
−ε+ε
=ε
11975
100
300
100
800.67,5.526,0q
44
21 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=− ; W/m2
Bài 4.3 Xác định tổn thất nhiệt do bức xạ từ bề mặt ống thép có đ−ờng kính d =
70 mm, dài 3 m, nhiệt độ bề mặt ống t1 = 227
0C trong hai tr−ờng hợp:
a) ống đặt trong phòng rộng có nhiệt độ t−ờng bao bọc t1 = 270C.
b) ống đặt trong cống có kích th−ớc (3 x 0,3) m và nhiệt độ vách cống t2 =
270C. Biết độ đen của ống thép ε1 = 0,95 và của vách cống ε2 = 0,3.
Lời giải
Tr−ờng hợp ống đặt trong phòng rộng theo (4-4) và (4-5), khi F2 = ∞:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ε=
4
2
4
1
10qd12 100
T
100
T
.F.CQ
Với εqd = ε1; F1 = π.d.l = 3,14.0,07.3 = 0,66 m2
1934
100
300
100
50066,0.67,5.95,0Q
44
21 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=− ;
Q1-2 = 1934W.
Tr−ờng hợp ống đặt trong cống hẹp có độ đen qui dẫn theo (4-5):
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −ε+ε
=ε
11
F
F1
1
22
1
1
qd
F2 = 2.(0,3 + 0,3).3 = 3,6 m
2,
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −+
=ε
1
3,0
1
6,3
66,0
95,0
1
1
qd
1374
100
300
100
50066,0.67,5.675,0Q
44
21 =⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=−
Q1-2 = 1374 W .
Bài 4.4 Hai hình hộp lập ph−ơng có cạnh 5 cm và 20 cm bọc nhau, trao đổi nhiệt
bức xạ, độ đen bề mặt hình hộp nằm trong 0,4, độ đen bề mặt hình hộp bọc ngoàI
0,5. Xác định độ đen qui dẫn của hệ thống hai vật bọc nhau.
Lời giải
Độ đen qui dẫn của 2 vật bọc nhau theo (4-5) với ε1 = 0,4, ε2 = 0,5:
121
39,0
1
5,0
1
2,0.6
05,0.6
4,0
1
1
11
F
F1
1
2
2
22
1
1
qd =
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −+
=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −ε+ε
=ε
ở đây F1 = 6.0,05
2, m2; F2 = 6.0,2
2, m2.
F1 và F2 là diện tích các mặt của hình lập ph−ơng.
Bài 4.5 Một t−ờng lò bên trong là gạch chịu lửa, dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt
bằng 0,348 W/m.K, bên ngoài là lớp gạch đỏ dày 250 mm, hệ số dẫn nhiệt bằng
0,348 W/m.K. Nếu khói trong lò có nhiệt độ 1300 0C, hệ số toả nhiệt từ khói đến
gạch là 34,8 W/m2.K; nhiệt độ không khí xung quanh bằng 30 0C. hệ số toả nhiệt
từ gạch đến không khí là 11,6 W/m2.K.
Tìm mật độ dòng nhiệt truyền qua t−ờng lò và nhiệt độ tiếp xuc giữa hai
lớp gạch.
Lời giải
Mật độ dòng nhiệt truyền qua t−ờng lò:
)tt(kq 2f1f −=
với:
6,11
1
695,0
250,0
348,0
250,0
8,34
1
1
11
1k
22
2
1
1
1
+++
=
α+λ
δ+λ
δ+α
=
k = 0,838 W/m2.K
q = 0,838.(1300 – 30) = 1064 W/m2.K
Nhiệt độ bề mặt t−ờng phía khói:
1269
8,34
1106413001.qtt
1
1fƯ1WƯ =−=α−=
0C,
Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp gạch:
348,0
250,010641269.qtt
1
1
1WƯ2WƯ −=λ
δ−=
tW2 = 504
0C.
Bài 4.6 Một ống dẫn hơi làm bằng thép, đ−ờng kính 200/216 mm, hệ số dẫn nhiệt
bằng 46 W/m.K, đ−ợc bọc bằng một lớp cách nhiệt dày 120 mm, có hệ số dẫn
nhiệt bằng 0,116 W/m.K. Nhiệt độ của hơi bằng 300 0C. Hệ số toả nhiệt từ hơi
đến bề mặt trong của ống bằng 116 W/m2.K; nhiệt độ không khí xung quanh bằng
25 0C. Xác định tổn thất nhiệt trên 1 m chiều dài ống và nhiệt độ bề mặt lớp cách
nhiệt.
122
Lời giải
Tổn thất nhiệt trên 1 m chiều dài ống theo (4-7):
)tt(kq 2f1f11 −= ; W/m,
322
3
2i
2
i11
1
d
1
d
d
ln
2
1
d
d
ln
2
1
d..
1
1k
πα+πλ+πλ+πα
= ; W/m.K
d1 = 0,2 m; d2 = 0,216 m
d3 = d2 + 2δ = 0,216 + 2.0,12 = 0,456 m.
456.0.14,3.10
1
216
456ln
116,0.14,3.2
1
200
216ln
216.14,3.2
1
2,0.14,3.116
1
1k1
+++
=
k1 = 0,9 W/m.K,
ql = 0,9.(300-25) = 247,5 W/m
Nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt xác định từ đIều kiện ổn định nhiệt:
ql = q13 = α.π.d3.(tW3-tf2)
456,0.14,3.10
5,24725
d..
q
tt
3
l
2f3WƯ +=πα+=
tW3 = 42
0C.
Bài 4.7 Một thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng nóng đ−ợc làm nguội từ 300 0C đến
200 0C, chất lỏng lạnh đ−ợc đốt nóng từ 25 0C đến 175 0C. Tính độ chênh nhiệt độ
trung bình trong các tr−ờng hợp sau:
a) chất lỏng chuyển động song song cùng chiều.
b) chất lỏng chuyển động song song ng−ợc chiều.
Lời giải
a) Tr−ờng hợp chất lỏng chuyển động song song cùng chiều:
∆t1 = t1’ - t2’ = 300 –25 = 275 0C
∆t2 = t1” - t2” = 200 – 175 = 25 0C
104
25
275ln
25275
t
t
ln
tt
t
2
1
21 =−=
∆
∆
∆−∆=∆ 0C
b) Tr−ờng hợp chất lỏng chuyển động song song ng−ợc chiều:
∆t1 = t1’ – t2” = 300 – 175 = 125 0C
∆t2 = t1”- t2’ = 200 – 25 = 175 0C
149
175
125ln
175125
t
t
ln
tt
t
2
1
21 =−=
∆
∆
∆−∆=∆ 0C.
Bài 4.8 Trong một thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội chất lỏng nóng từ 120 0C
đến 50 0C, chất lỏng nóng có nhiệt dung riêng Cp1 = 3,04 kJ/kg.K. chất lỏng lạnh
123
(chất cần gia nhiệt) có l−u l−ợng 1000 kg/h, nhiệt độ vào thiết bị là 100C, nhiệt
dung riêng Cp2 = 4,18 kJ/kg.K. Biết hệ số truyền nhiệt k = 1160 W/m
2.K. Tính
diện tích truyền nhiệt của thiết bị trong các tr−ờng hợp sau:
a) chất lỏng chuyển động song song cùng chiều.
b) chất lỏng chuyển động song song ng−ợc chiều.
Lời giải
Nhiệt l−ợng do chất lỏng nóng nhả ra:
Q = G1 Cp1(t1’ – t1”)
5,16255)50120.(10.04,3.
3600
275Q 3 =−= W
Nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh xác định từ ph−ơng trình cân bằng nhiệt:
Q = G1 Cp1(t1’ – t1”) = G2 Cp2 (t2” – t2’),
2p2
111p1
22 C.G
)"t't.(C.G
't"t
−+=
Độ chênh nhiệt độ trung bình trong tr−ờng hợp chuyển động song song
cùng chiều theo (4-13):
∆t1 = t1’ - t2’ = 120 – 25 = 110 0C
∆t2 = t1” - t2” = 50 – 24 = 26 0C
3,58
26
110ln
26110
t
t
ln
tt
t
2
1
21
cc =−=
∆
∆
∆−∆=∆ 0C
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong tr−ờng hợp chuyển động song song
cùng chiều theo (4-14):
Q = k.Fcc.∆Tcc
24,0
3,58.1160
16255
t.k
QF
cc
==∆= m
2
Độ chênh nhiệt độ trung bình trong tr−ờng hợp chuyển động song song
ng−ợc chiều theo (4-13):
∆t1 = t1’ – t2” = 120 – 24 = 96 0C
∆t2 = t1”- t2’ = 50 – 10 = 40 0C
64
40
96ln
4096
t
t
ln
tt
t
2
1
21
nc =−=
∆
∆
∆−∆=∆ 0C.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong tr−ờng hợp chuyển động song song
ng−ợc chiều theo (4-14):
Q = k.Fnc.∆Tnc
22,0
64.1160
16255
t.k
QF
nc
==∆= m
2 ./.
CH−ơNG I
vai trò các hệ thống lạnh
trong nền kinh tế quốc dân
Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và đ−ợc sử dụng rất
rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật rất khác nhau: trong công nghiệp
chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp hoá chất, công nghiệp
r−ợu, bia, sinh học, đo l−ờng tự động, kỹ thuật sấy nhiệt độ thấp, xây
dựng, công nghiệp dầu mỏ, chế tạo vật liệu, dụng cụ, thiết kế chế tạo
máy, xử lý hạt giống, y học, thể thao, trong đời sống vv...
Ngày nay ngành kỹ thuật lạnh đã phát triển rất mạnh mẽ, đ−ợc sử
dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày càng mở rộng và
trở thành ngành kỹ thuật vô cùng quan trọng, không thể thiếu đ−ợc
trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các n−ớc.
D−ới đây chúng tôi trình bày một số ứng dụng phổ biến nhất của kỹ
thuật lạnh hiện nay.
1.1 ứng dụng trong ngành chế biến và bảo quản
thực phẩm
1.1.1 Tác dụng của nhiệt độ thấp đối với thực phẩm
Năm 1745 nhà bác học Nga Lômônôxốp trong một luận án nổi
tiếng “Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh“ đã cho rằng: Những quá
trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm
chậm lại do nhiệt độ thấp.
Thật vậy, biến đổi của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ 40ữ50oC vì
ở nhiệt độ này rất thích hợp cho hoạt hoá của men phân giải (enzim)
của bản thân thực phẩm và vi sinh vật.
ở nhiệt độ thấp các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm bị ức chế.
Trong phạm vi nhiệt độ bình th−ờng cứ giảm 10oC thì tốc độ phản ứng
giảm xuống 1/2 đến 1/3 lần.
Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của các men phân giải nh−ng
không tiêu diệt đ−ợc chúng. Nhiệt độ xuống d−ới 0oC, phần lớn hoạt
động của enzim bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men nh− lipaza, trypsin,
catalaza ở nhiệt độ -191oC cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp
khả năng phân giải giảm, ví dụ men lipaza phân giải mỡ.
3
Khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do:
- Cấu trúc tế bào bị co rút
- Độ nhớt dịch tế bào tăng
- Sự khuyếch tán n−ớc và các chất tan của tế bào giảm.
- Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm.
Bảng 1-1: Khả năng phân giả
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 52.pdf