Đại cương về các quá trình truyền nhiệt

Chương 1

8/ 23/ 2017

Nội dung chương 1
1.1. Các khái niệm

KỸ THUẬT Q TRÌNH VÀ
THIẾT BỊ 2

1.2. Các thơng số cơ bản điều khiển quá
trình: Hệ đơn vị, Bảng đơn vị đo chính,

Chương 1: Đại cương về các
q trình truyền nhiệt 9t

Bảng chuyển đổi đơn vị
1.3. Các quá trình truyền nhiệt: Dẫn nhiệt,
Đối lưu nhiệt, Bức xạ nhiệt, Truyền nhiệt

TS. BÙI TẤN NGHĨA


hỗn hợp
Bài tập chương 1
1

2

Các khái niệm và thông số cơ bản

Các khái niệm và thông số cơ bản

 Nhiệt độ (temperature): đặc trưng cho mức độ
nóng của nhiệt, là thông số làm cơ sở để so sánh,
đánh giá mức độ nóng của vật này và vật khác.
 Đơn vị nhiệt độ:
- Độ Celcius, ký kiệu – t (oC); VD: 37 oC
- Độ Kelvin, ký hiệu – T(K); 310 K
- Độ Fahrenheit, ký kiệu – TF(oF); VD: 98,6 oF
 Mối liên hệ: T = t + 273 => ΔT = Δt
TF = t*1.8 + 32
• Nhiệt kế: thermometer

 Nhiệt dung riêng: C(J/kg.độ) hoặc (cal/kg.độ):
nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào để 1 kg vật chất
biến thiên 1 độ.
+ 1cal = 4,186 J
+ 1J = 0,24 cal
Đơn vị khác C (j/mol.độ) hoặc (cal/mol.độ)
Cp,mol (j/mol.độ) = M.Cp, mass (j/g.độ)

3

 Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 đơn vị
thể tích, ρ (kg/m3).
4

1

Chương 1

8/ 23/ 2017

Các khái niệm và thông số cơ bản

 Áp suất (pressure): biểu thị cho lực tác dụng vng
góc lên 1 đơn vị diện tích.
+ Pa = N/m2 = kg/m.s2
+ 1atm = 760 mmHg – áp suất khí quyển
+ 1at = 735 mmHg =10mH2O – áp suất kỹ thuật
 Áp suất dư: Cho biết áp suất trong hệ thống cao hơn
áp suất khí quyển: Pdư = Ptd − Pkq > 0
 Áp suất chân không: Cho biết áp suất trong hệ thống
thấp hơn áp suất khí quyển
+ Pdu = Ptd − Pkq < 0
+ Pck = -Pdư = Pkq − Ptd > 0
Áp kế: gauge

Các khái niệm và thông số cơ bản
 Một số đơn vị đo theo hệ tiêu chuẩn SI
- Kích thước hình học (chiều dài, chiều
rộng, chiều cao, đường kính….): Mét (m).
- Thời gian: Giây (s)
- Khối lượng: Kilogam (kg)
- Nhiệt lượng: J = N.m = kg.m2/s2
- Cơng suất: W = J/s

5

Các q trình truyền nhiệt

Q trình truyền nhiệt

Q trình
truyền nhiệt
Truyền nhiệt
ổn định
Nhiệt
độ
Thay
đổi
theo
khơng
gian

Khơng
thay
đổi
theo
thời
gian

6

 Q trình bất thuận nghịch
 Nhiệt truyền từ nơi nhiệt độ cao → nhiệt độ thấp
Nhiệt truyền từ vật này sang vật khác, từ không
gian này sang không gian khác

Truyền nhiệt
không ổn
định

Quá trình
truyền nhiệt

Nhiệt độ
thay đổi
Khơng
gian

Thời
gian

Dẫn nhiệt
7

Đối lưu
nhiệt

Bức xạ
nhiệt
8

2


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt
Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt

3. Mặt đẳng nhiệt: tập hợp các điểm có cùng nhiệt độ
ở một thời điểm τ xác định

1. Dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này
đến phần tử khác khi chúng tiếp xúc với nhau và có

t + Δt

nhiệt độ khác nhau.

t

n

Khép kín

2. Trường nhiệt độ: là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt
độ trong vật thể hoặc môi trường tại một thời điểm τ

Chiều dịng nhiệt

nào đó. Phân loại:

Mặt đẳng
nhiệt
Khơng cắt
nhau

Khơng dẫn nhiệt trên 1
mặt đẳng nhiệt

Trường nhiệt độ ổn định, t = f(x,y,z)
Trường nhiệt độ không ổn định, t = f(x,y,z,τ)
9

Các quá trình truyền nhiệt
Dẫn nhiệt

t + Δt

10

Các quá trình truyền nhiệt
Định luật dẫn nhiệt Fourier

t

n

Theo Fourier, nhiệt lượng truyền qua mặt đẳng nhiệt
tỷ lệ gradt, diện tích bề mặt đẳng nhiệt và thời gian.

Vi phân: dQ  gradt .dF .d

Chiều dòng nhiệt

4. Gradient nhiệt độ: mức đo độ biến thiên nhiệt độ ở một
điểm cho trước của vật thể, bằng độ biến thiên nhiệt độ trên
một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẳng
nhiệt.

t dt
lim

 gradt
n 0
n dn

dQ  

dt
dF .d
dn

hay Q’ = - λ.gradt.F.τ (J)

dQ.dn 
    dF.d

 .dt 


Khi gradt ≠ 0: Có hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra.
11



J .m
W
 o
o
m .s . C m. C
2

12

3


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt
Độ dẫn nhiệt

Định luật dẫn nhiệt Fourier
Truyền nhiệt ổn định nên khơng phụ thuộc
thời gian.
Khi đó: Q = Q’/ τ = - λ.gradt.F (W)

Trong đó: Q: nhiệt lượng (W = J/s)
gradt: Gradient nhiệt độ (độ/m)
F: Diện tích mặt đẳng nhiệt (m2)
λ: hệ số dẫn nhiệt hay độ dẫn nhiệt
(w/m.độ)
Đặt q = Q/F (W/m2): mật độ dòng nhiệt

Độ dẫn nhiệt (hệ số dẫn nhiệt) là lượng nhiệt tính
bằng J truyền đi bằng dẫn nhiệt qua 1m2 bề mặt trong
thời gian 1 giây khi chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều
dài theo phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt là 1 độ
Ký hiệu: λ – đơn vị đo: (W/m.độ)
Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng đặc trưng cho khả năng
dẫn nhiệt của vật, phụ thuộc vào:
+ Cấu tạo vật chất
+ Khối lượng riêng
+ Áp suất, nhiệt độ của vật…

13

Các quá trình truyền nhiệt

14

Các quá trình truyền nhiệt

Độ dẫn nhiệt
 λrắn > λlỏng > λkhí
 Đối với vật rắn đồng chất, một cách gần đúng
hệ số dẫn nhiệt được xác định như sau:

λ = λ0 (1+βt)
Trong đó: λ – độ dẫn nhiệt ở t oC
λ0 – độ dẫn nhiệt ở 0 oC
β – là hệ số nhiệt độ được xác định bằng
thực nghiệm
t – nhiệt độ làm việc ( oC)
15

Độ dẫn nhiệt
Đối với chất rắn khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn
nhiệt tăng
Đối với chất lỏng có độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt
độ tăng, chỉ trừ nước và glycerin thì độ dẫn nhiệt
tăng khi nhiệt độ tăng
Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí rất
nhỏ so với chất rắn.

16

4


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Đối với chất lỏng, độ dẫn nhiệt có thể tính theo
cơng thức gần đúng sau:

   .C . 3
p

M

Cp: nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.K
: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
M: phân tử lượng của chất lỏng, g/mol hoặc kg/kmol
: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, có giá
trị cụ thể như sau:
+ Đối với chất lỏng không kết hợp (benzen, toluen và các
hydrocacbon khác) thì =4,22.10-8
+ Đối với các chất kết hợp (như rượu, nước) thì
=3,58.10-8

Đối với chất khí, độ dẫn nhiệt phụ thuộc chủ yếu
vào nhiệt độ, ít phụ thuộc áp suất, độ dẫn nhiệt
tăng khi nhiệt độ tăng.
Trong kỹ thuật, để tính tốn gần đúng có thể
dùng cơng thức:

 273  C  T 
  0 


 T  C  273 

3
2

C, o: hằng số, phụ thuộc vào loại khí

17

Các q trình truyền nhiệt

Các q trình truyền nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của một số loại vật liệu
,



TT

Tên chất

0,279

07

Nhôm

211

Amiăng sợi

0,1115

08

Đồng thanh

64

03

Gạch xây dựng

0,23250,28

09

Đồng thau

93

04

Gạch chịu lửa

1,005

10

Đồng đỏ

384

05

Gạch cách nhiệt

0,1395

11

Thép

46,5

06

Bông thủy tinh

0,0372

12

Thép không rỉ

17,5

TT

Tên chất

01

Amiăng vải

02

W/m.độ

18

W/m.độ

19

Phương trình vi phân dẫn nhiệt được thiết lập
theo định luật bảo tồn năng lượng biểu diễn
q trình nhiệt được dẫn trong vật thể với giả
thiết:
+ Vật đồng chất, đẳng hướng
+ Thông số vật lý là hằng số
+ Vật cứng hồn tồn
+ Các phần vĩ mơ của vật khơng có sự chuyển
động tương đối với nhau
+ Vật khơng có nguồn nhiệt bên trong (qv=0)

20

5

Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

 Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi vào hình hộp
trong khoảng thời gian d theo phương trình
dẫn nhiệt Fourier:
Theo trục x: nhiệt dẫn qua bề mặt dy.dz:

Xét một phân tố hình hộp
có các cạnh dx, dy, dz
được tách ra từ vật thể.
Theo định luật bảo tồn
năng lượng thì lượng
nhiệt tăng lên trong
hình hộp bằng lượng
nhiệt tiêu hao làm biến
đổi nhiệt lượng riêng
trong hình hộp.

Q x  

Theo trục y: nhiệt dẫn qua bề mặt dx.dz:
Q y  
Qz  

Các quá trình truyền nhiệt

Lượng nhiệt tăng lên trong hình hộp sau
khoảng thời gian d chính bằng hiệu số giữa
lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi hình hộp:

  t  Q   t dy.dz.d      t dx.dy .dz.d 


 t  dx  xdx
x
x  x 


x  x 

Theo trục y: nhiệt dẫn qua mặt dx.dz:


t



t

  t 
 t 
dy  Q y dy   dx.dz.d     dy .dx.dz.d 
y
y  y 


 y


Theo trục z: nhiệt dẫn qua mặt dx.dy:
Qz dz   dx.dy.d

 
t

dz 
t 
z 
z 

Q z dz  

22

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra hình hộp
cũng trong khoảng thời gian d theo phương
trình dẫn nhiệt Fourier:

Theo trục x: nhiệt dẫn qua mặt dy.dz:


y

t
dx.dy.d 
z

Các quá trình truyền nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Qy dy  dx.dz.d 

t
dx.dz.d
y

Theo trục z: nhiệt dẫn qua bề mặt dx.dy:
21

Qx  dx  dy.dz.d

t
dy.dz.d
x

t


  t 

dx.dy.d   
 dz.dx.dy .d 
z
z   z 


23

 2t 2t 2t
dQ    2  2  2
y
z
 x


dx.dy .dz.d


 2t

 2t

dQ   2 t.dV .d (*)
 2t

Trong đó:  t  x 2  y 2  z 2 toán tử Laplace
Mặt khác lượng nhiệt tiêu hao làm biến đổi
nhiệt lượng riêng trong hình hộp:

2

dQ  C .dV

t
d (**)

24

6


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Phương trình vi phân dẫn nhiệt

Phương trình (***) được gọi là phương trình vi
phân dẫn nhiệt Fourier trong môi trường tĩnh
và đồng nhất.
Đối với q trình dẫn nhiệt ổn định, nghĩa là
nhiệt độ khơng phụ thuộc vào yếu tố thời gian,
t

ta có:
0

Khi đó phương trình vi phân Fourier có dạng:

C: nhiệt dung riêng của vật thể, J/kg.K
: khối lượng riêng của vật thể, kg/m3
t
d : biến thiên nhiệt độ của vật thể trong khoảng thời gian d.


Từ (*) và (**) ta có cân bằng nhiệt lượng:

t
t
d   2t  C


t

 a. 2t (* * *)


dQ   2 t .dV .d  C .dV

Trong đó:


a
C

 2t  2 t  2t
a. t  0 hay  t  2  2  2  0 (* * **)
x
y
z
2

: hệ số dẫn nhiệt độ

2

25

Các quá trình truyền nhiệt

26

Các quá trình truyền nhiệt

Điều kiện đơn trị

Điều kiện đơn trị

Điều kiện thời gian: Cho biết sự phân bố
nhiệt độ tại thời điểm ban đầu 0=0,
t=f(x,y,z,0), đây được gọi là điều kiện ban đầu.
Điều kiện hình học: Cho biết hình dạng, kích
thước của vật trong đó xảy ra quá trình trao đổi
nhiệt.

Điều kiện vật lý: Cho biết các thông số vật lý
như khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số
dẫn nhiệt…
27

Điều kiện biên, Gồm 3 loại:
Điều kiện biên loại 1:
Cho biết sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật
ở thời điểm bất kỳ.
Điều kiện biên loại 2:
Cho biết mật độ dòng nhiệt qua bề mặt của vật ở
thời điểm bất kỳ.

28

7


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Điều kiện đơn trị

Điều kiện biên, Gồm 3 loại:
Điều kiện loại 3: cho biết quy luật trao đổi
nhiệt giữa bề mặt của vật với môi trường xung
quanh và nhiệt độ môi trường xung
quanh.Điều kiện biên loại 3 được miêu tả bằng
phương trình sau:

 dt 
 tT  t     
 dx  x 0

Điều kiện biên loại 4: bề mặt vật tiếp xúc lý
tưởng với bề mặt khác

gradt 

t tT 2  tT 1

x


dQ  

t T 2  tT 1
dF .d


tT1
ℓ
δ

30

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Tích phân 2 lần ta được:
t = C1x+C2
Nếu x = 0 thì t = tT1: C2 = tT1
t T 2  tT 1
Nếu x =  thì t = tT2:

tT 2  tT 1
x  tT 1


tT2

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

t

h

 t
0
x 2

29

Các quá trình truyền nhiệt

C1 

Giả sử tường có
chiều dài và chiều
rộng lớn hơn
nhiều
so
với
chiều
dày.
Phương trình vi
phân dẫn nhiệt
Fourier (****) có
dạng:
2

dQ   .

tT 1  tT 2
.dF .d

h



tT1

dt
dF .d
dQ  
dn
dt
  dF .d
dx

tT2
Q
31


.(tT 1  tT 2 ).F .


ℓ
δ

32

8


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Tường phẳng 1 lớp là gạch thường dày
200mm, kích thước 2000×3000 mm. Nhiệt độ 2
bên tường lần lượt là 600 oC và 50 oC. Biết hệ số
dẫn nhiệt của tường là 20 W/m.K. Tính nhiệt
lượng truyền qua tường.
Ví dụ:

Dẫn nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp
1
Q n
.t  t .F ; (W )
i 1 2
ℓ

i 1 i
t1

Hướng dẫn:
δ = 200mm = 0,2m; ℓ×h = 2000×3000mm = 2×3m
t1 = 600 oC; t2 = 50 oC; λ = 20W/m.độ
Diện tích: F = ℓ×h = 2×3 = 6 m2
Nhiệt lượng Q = (λ / δ).(t1 – t2).F
= (20/0,2).(600 – 50).6 = 330000 (J/s) = 330000 (W)
= 330 (kW)

t23

t34
t2
δ1 δ2 δ3

33

Các quá trình truyền nhiệt

ℓ

r1

δ4

34

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp
r2

h

t12

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp

Ta xét một lớp tường mỏng có bán kính r và
chiều dày dr, theo định luật Fourier, lượng nhiệt
dẫn qua lớp tường như sau:

t1

dQ  

t2

dt
dt
dF .d  dQ    . .2r .L. .d
dn
dr

Quá trình dẫn nhiệt là ổn định, ta có:
Q   .2 r .L.

dt
dr

 ln
35



2L
dr
 
dt
r
Q

r2
L
 2 tT 1  tT 2 
r1
Q

36

9


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp
r2

ℓ

r1

Q

t1
t2

2 .l.t1  t2 
; (W )
1
r2
. ln

r1

Trường hợp r2/r1 < 2 thì ta có
thể tính theo tường phẳng

Với: δ = r2 – r1
F = 2πrℓ
r = (r1 + r2)/2

Ví dụ: Một ống truyền nhiệt có đường kính trong 50 mm,
ngồi 57 mm. Hệ số dẫn nhiệt thành ống λ = 50 (W/m.độ).
Tính nhiệt lượng truyền qua ống, nếu ống có chiều dài 10m,
nhiệt độ vách trong 50 oC và nhiệt độ vách ngoài 10 oC.
Hướng dẫn: (phương pháp chính xác)
d1 = 50 mm = 0,05 m; d2 = 57 mm = 0,057 m
t1 = 50 oC; t2 = 10 oC; λ = 50W/m.độ; ℓ = 10m
Nhiệt lượng:

37

Các quá trình truyền nhiệt

38

Các quá trình truyền nhiệt

Dẫn nhiệt qua tường ống nhiều lớp

Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp

Phương pháp gần đúng:
Vì d2/d1 = 57/50 = 1,14 < 2: TƯỜNG PHẲNG
Bề dày: δ = (d2 – d1)/2
= (57 – 50)/2 = 3,5mm = 0,0035m
Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = πdtbℓ ,
Với dtb = (d1 + d2)/2 = (57 + 50)/2 = 53,5mm
Nhiệt lượng:

r3
ℓ

r2 t2

t4
r4

Q
39

t3

2 .l.t1  tn 1 
; (W )
n
1
ri 1
. ln

ri
i 1 i

r1
t1

40

10


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Đối lưu nhiệt

1. Đối lưu nhiệt: là quá trình truyền nhiệt ở môi

trường lưu chất, khi lưu chất chuyển động trong
khơng gian từ vùng có nhiệt độ này sang vùng có
nhiệt độ khác.
2. Q trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu gọi là quá
trình cấp nhiệt
3. Quá trình cấp nhiệt: là quá trình vận chuyển nhiệt
lượng từ lưu chất đến bề mặt vật rắn hay ngược lại.

Khơng khí nóng
bên trong lị
nung khoảng
1200 oC

41

Các q trình truyền nhiệt

42

Các q trình truyền nhiệt
Đối lưu nhiệt
Khơng khí nóng
bên trong lị nung
khoảng 1200 oC

Đối lưu nhiệt
Đối lưu nhiệt tự nhiên
Đối lưu nhiệt cưỡng bức

43

44

11


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

1. Định luật cấp nhiệt Newton
Định luật: lượng nhiệt dQ do một nguyên tố bề
mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho mơi
trường xung quanh có nhiệt độ t trong khoảng
thời gian d tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật
thể và môi trường với dF và d, nghĩa là:

dQ   .(tT  t ).dF .d
tT: nhiệt độ bề mặt của vật thể, oC
t: nhiệt độ của môi trường xung quanh, oC
: hệ số cấp nhiệt W/m2.K

J
W

dQ



2
2
 T  t dF.d  m .s.K m .K

45

46

Các quá trình truyền nhiệt

Đối lưu nhiệt

2. Hệ số cấp nhiệt:
Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp,
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất
của từng chất lỏng hay khí đó:
- Độ nhớt
- Khối lượng riêng
- Đặc tính chuyển động
- Nhiệt độ
- Nhiệt dung riêng…

2. Hệ số cấp nhiệt:

txq

Q   .(tT  t ).F

    t

Các quá trình truyền nhiệt

α

1. Định luật cấp nhiệt Newton
Nếu quá trình cấp nhiệt ổn định thì phương
trình cấp nhiệt tổng quát được viết dưới
dạng như sau:

Hệ số cấp nhiệt α là lượng
nhiệt do một đơn vị bề mặt tường
cấp cho môi trường xung quanh
(hay nhận được từ môi trường xung
quanh) trong một đơn vị thời gian
khi hiệu số nhiệt độ là một đơn vị.

47

48

12


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các q trình truyền nhiệt

Ví dụ: Cho tường phẳng có kích thước 4×6m,
nhiệt độ bề mặt tường là 100 oC, khơng khí
nóng xung quanh có hệ số cấp nhiệt α = 20
(W/m2.độ) và nhiệt độ là 120 oC. Tính nhiệt
lượng truyền được:
Hướng dẫn: Tường 4×6 m → F = 24 m2
Nhiệt độ tường tT = 100 oC
Nhiệt độ lưu chất txq = 120 oC
Hệ số cấp nhiệt α = 20 (W/m2.độ)
Nhiệt lượng:Q = α.F.(txq – tT)=20.24.(120 – 100)

Các quá trình truyền nhiệt
3. Các phương pháp xác định hệ số cấp nhiệt

 Phương pháp giải tích
 Phương pháp thực nghiệm
 Phương pháp đồng dạng

49

Các quá trình truyền nhiệt

50

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng

 Trong quá trình truyền nhiệt bằng đối lưu

được đặc trưng bằng một hệ phương trình:
 Phương trình dịng liên tục
 Phương trình vi phân cấp nhiệt Fourie-Kirchoff
 rất phức tạp
==> Giải các phương trình này phải dựa vào các
thuyết đồng dạng
 Dựa vào các phương trình vi phân về cấp
nhiệt và thuyết đồng dạng ta rút ra các
chuẩn số đồng dạng
 rút ra được các phương trình chuẩn số cho
quá trình cấp nhiệt
51

Lý thuyết đồng dạng
 2 hiện tượng vật lý chỉ có thể đồng
dạng với nhau khi:
 Cùng bản chất vật lý
 Cùng được mơ tả bằng phương trình hay hệ
phương trình vi phân (kể cả điều kiện đơn
trị)
 Đồng dạng các hiện tượng vật lý là
đồng dạng về các đại lượng cùng mơ tả
cho hiện tượng đó.
52

13


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng
 Nếu 1 hiện tượng vật lý được biểu diễn
bằng phương trình f(, , , , l…) thì
hiện tượng thứ 2 đồng dạng với nó khi:

1
 C
2

1
 C
2

1
 C
2
l1
 Cl
l2

1
 C
2

= > Các chuẩn số đồng dạng

Lý thuyết đồng dạng
 Khi 2 hiện tượng vật lý đồng dạng
thì các chuẩn số đồng dạng bằng
nhau.
 Chuẩn số đồng dạng là các đại
lượng khơng có thứ ngun.

54
53

Các q trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng

Lý thuyết đồng dạng

 Giả sử hiện tượng 1 và 2 đồng dạng với
nhau, từ phương trình vi phân trao đổi nhiệt
ta có thể tìm được chuẩn số đồng dạng sau:

 Giả sử hiện tượng 1 và 2 đồng dạng với
nhau, từ phương trình vi phân trao đổi nhiệt
ta có thể tìm được chuẩn số đồng dạng sau:

 t 
1    1t1

 n 1

1
t
t
 C  ; 1  1  Ct
t 2 t 2
2

 t 
2     2 t 2
 n  2


n1 l1
  Cl ; 1  Ct
2
n2 l 2

C C1
 t 
C Ct  t 
2    C Ct 2 t 2 2  n   C  2 t2
 2

C1
 n  2

55

 1l1
C C1
 l  1l1  2l 2 l
1 2 2


 const
1
C
1
2

2
56

14


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng

Lý thuyết đồng dạng
 Chuẩn số Nusselt

 Chuẩn số Nusselt đặc trưng cho quá
trình cấp nhiệt ở bề mặt phân giới.
 Trong quá trình truyền nhiệt ổn định thì
lượng nhiệt truyền đi do dẫn nhiệt phải
bằng lượng nhiệt truyền đi do cấp nhiệt.

 .l
Nu 


 Chuẩn số Reynolds
 Đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu
cưỡng bức (tương quan giữa lực ỳ và
lực ma sát phân tử trong dịng)

.l  ..l
Re 




l: Đặc trưng hình học
: hệ số cấp nhiệt
: hệ số dẫn nhiệt

l: Đặc trưng hình học
: vận tốc của dịng lưu chất
: độ nhớt động học
: độ nhớt động lực học
: khối lượng riêng của lưu chất

57

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng

Lý thuyết đồng dạng

 Chuẩn số Prandtl
 Đặc trưng cho t ính chất vật lý của mơi
trường
C .

Pr 

58

 Chuẩn số Galile
 Đặc trưng cho lực ma sát phân tử và
trọng lực trong dòng


p

a


g.l 3
Ga  2


Cp: nhiệt dung riêng của môi trường
: độ nhớt động lực học của môi trường
: hệ số dẫn nhiệt
a: hệ số dẫn nhiệt độ
: độ nhớt động học

l: đặc trưng hình học
g: gia tốc trọng trường
: độ nhớt động học
59

60

15


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Lý thuyết đồng dạng

CÁC SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT

 Chuẩn số Grasshoff
 Đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự
nhiên

Gr  Ga. .t 

3

g .l
. .t
2

l: đặc trưng hình học
g: gia tốc trọng trường
: độ nhớt động học
: hệ số dãn nở thể tích
t: hiệu nhiệt độ giữa bề mặt truyền nhiệt và dòng

 Trong trao đổi nhiệt đối lưu người
ta thường viết phương trình tiêu
chuẩn dưới dạng:

Nu  C. Re m . Pr n .Gr p ......

61

Các q trình truyền nhiệt

62

Sóng điện từ

Bức xạ nhiệt
1. Khái niệm: trao đổi nhiệt bằng bức xạ là quá

E= electric field
H= magnetic field
= wavelength (12.2 cm for 2450 MHz)
c= speed of light (300,000 km/s)

trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng
sóng điện từ.
2. Tất cả các vật thể nhiệt độ cao hơn 0(K) đều
phát ra những tia năng lượng dưới dạng tia
bức xạ và lan truyền trong không gian xung
quanh vật thể

63

64

16


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt
Bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì:
Q = Q A + QD + QR
Chia 2 vế phương trình cho Q ta được:

Khả năng hấp
thụ của vật thể
Khả năng khúc
xạ của vật thể

Q
QR
QA

Q

Khả năng phản
xạ của vật thể

QD

QR

A+ R + D = 1

Nếu A=1 thì D=R=0, vật gọi là vật đen tuyệt đối
Nếu R=1 thì D=A=0, vật gọi là vật trắng tuyệt đối
Nếu D=1 thì A=R=0, vật gọi là vật trong suốt

QA
QD
65

Các quá trình truyền nhiệt

66

Các quá trình truyền nhiệt

Truyền nhiệt hỗn hợp

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Khái niệm: quá trình truyền nhiệt từ lưu thể này
sang lưu thể khác qua tường ngăn gọi là
truyền nhiệt hỗn hợp.

α1

Truyền nhiệt hỗn hợp

α2

Đẳng nhiệt

Quá trình truyền
nhiệt từ lưu thể nóng
(t1;α1) tới lưu thể
nguội (t1;α1) qua
tường gồm 3 giai
đoạn:

Biến nhiệt
67

68

17


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các quá trình truyền nhiệt

Các quá trình truyền nhiệt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp

α1
α2

Giai đoạn 1: q trình
cấp nhiệt từ lưu thể nóng
đến tường
Q = Q1 = α1(t1 – tT1)F
Giai đoạn 2: dẫn nhiệt
qua tường phẳng

α1
α2

Giai đoạn 3: quá trình
cấp nhiệt từ tường đến
lưu thể nguội
Q = Q3 = α2(tT2 – t2)F

69

Các quá trình truyền nhiệt

70

Các quá trình truyền nhiệt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp
Từ 3 phương trình ta được:

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp

Tương tự ta cũng được:
Q = K.F.Δt

Trong đó:
Ta đặt: Δt = t1 – t2
Hệ số truyền nhiệt
Đơn vị: W/(m2.độ)

Δt = t1 – t2

Q = K.F.Δt
71

72

18


Chương 1

8/ 23/ 2017

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống

Tường ống 1 lớp:
Nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng đến
lưu thể nguội qua tường ống
Q = K.2π.ℓ.Δt
K

Tường ống nhiều lớp: Q = K.2π.ℓ.Δt

K

1
W
,[ o ]
1
1
r2
1
.C
m
 . ln 
r1 .1 
r1 r2 . 2

1
1
1 r
1
  ln i 1 
ri rn 1 . 2
r1 .1 i 1 i
n

,[

W
]
m.o C

Δt = t1 – t2

Δt = t1 – t2

73

74

Chọn chất tải nhiệt

Nguồn nhiệt

- Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh
nhiệt độ.

Khói lị

- Độ độc và tính hoạt động hố học.

Trực tiếp
Dịng điện

Nguồn nhiệt
Gián tiếp

- Độ an tồn khi đun nóng.
- Rẻ tiền và dễ kiếm.

Chất tải
nhiệt

75

76

19


Chương 1

8/ 23/ 2017

Một số chất tải nhiệt thường dùng

Một số chất tải nhiệt thường dùng
Hơi nước bão hòa
Ưu điểm:
Lượng nhiệt cung cấp lớn
Đun nóng được đồng đều
Hệ số cấp nhiệt lớn (10.000 – 15.000
w/m2.độ )
 Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng
 Vận chuyển đi xa

1. Hơi nước bão hịa
 Nhược điểm:

1.






 Nhiệt độ đun nóng hạn chế (to tăng → r giảm),
thường sử dụng để đun nóng ≤ 180 oC
 Phải có lị hơi tạo ra hơi nước bão hòa

77

Một số chất tải nhiệt thường dùng

78

Một số chất tải nhiệt thường dùng

1. Hơi nước bão hòa
 Lò hơi:

2. Khói lị
 Ưu điểm:
Đun nóng bằng khói lị có thể tạo được
nhiệt độ cao hơn 1000 oC
 Nhược điểm:
Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ khơng q 100
w/m2.độ
Nhiệt dung thể tích nhỏ
79

80

20


Chương 1

8/ 23/ 2017

Một số chất tải nhiệt thường dùng

Một số chất tải nhiệt thường dùng

2. Khói lị
 Nhược điểm:
 Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ khơng q 100
w/m2.độ

3. Dịng điện
 Ưu điểm:
Đun nóng bằng dịng điện có thể tạo nhiệt độ
rất cao, 3200 oC.

 Nhiệt dung thể tích nhỏ

Dễ điều chỉnh chính xác nhiệt độ

 Đun nóng khơng được đồng đều

Hiệu suất truyền nhiệt cao, 95%

 Khó điều chỉnh nhiệt độ

 Nhược điểm:

 Thường có bụi và khí độc của nhiên liệu

Thiết bị phức tạp

 Lượng oxy dư và hiệu suất thấp ≤ 30%

Giá thành cao → chưa được sử dụng rộng rãi
81

Một số chất tải nhiệt thường dùng

4. Chất tải nhiệt đặc biệt
Khi cần đun nóng nhiệt độ cao (> 180 oC), nên sử
dụng chất tải nhiệt đặc biệt:
 Hơi q nhiệt.
 Chất lỏng có nhiệt độ sơi cao mà không bị phân
hủy.
 Các dung môi hữu cơ: glycerin, diphenyl,
etherdiphenyl.
 Hỗn hợp các muối và kim loại nóng chảy
5. Khí thải và chất lỏng thải
83

82

Các phương pháp đun nóng
Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp

Thiết bị loại sục khí

Thiết bị loại sủi bọt

Thiết bị đun nóng giảm
thanh

84

21


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các phương pháp đun nóng

Các phương pháp đun nóng
Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp
Chất lỏng cần đun khơng được phép pha
lỗng, thường trong các thiết bị ống xoắn,
ống chùm, vỏ áo…

Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp
Đơn giản, cho phép pha lỗng và khơng có
phản ứng xảy ra → thường đun nóng nước.
Lượng hơi nước cần dùng:
Nhiệt lượng hơi nước tỏa ra = Nhiệt lượng

dung dịch nhận + nhiệt lượng tổn thất
=> D.i  G .C .t  D.C .t  G .C .t  Q .
2

2 2đ

n

2c

2

2 2c

Lượng hơi nước cần dùng:

tt

D.i  D.Cn .t2 c  G2 .C2 .t2 c  G2 .C 2 .t2 đ  Qtt .
D

G2 .C2 .(t2 c  t2 đ )  Qtt .
(i  Cn .t 2c )
85

86

Các phương pháp đun nóng

Các phương pháp đun nóng

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp

Lưu
thể
lạnh

nước lạnh ra

Hơi bão
hịa đi
giữa
khơng
gian các
ống

Hơi nước bão hịa

Nước ngưng

nước lạnh vào

87

88

22

Chương 1

8/ 23/ 2017

Các phương pháp đun nóng

Các phương pháp đun nóng

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp
 Để thiết bị trao đổi nhiệt làm việc hiệu
quả, ta phải tháo nước ngưng ra liên tục.
 Tháo nước ngưng, phải đảm bảo hơi
nước nước bão hịa khơng bị thất thốt ra bên
ngồi

Hơi

Nước ngưng
89

90

Thiết bị tháo nước ngưng – phao hở

Thiết bị tháo nước ngưng – phao kín
1.Ống dẫn hơi
và nước ngưng

2.Tấm chắn
3. Phao
4. Địn bẩy
5. Van
6. Cửa tháo
nước ngưng
7. Tay quay
8. Van

91

1. Vỏ
2. Phao hở (cốc)
3. Cán phao
4. Ống dẫn nước
ngưng
5. Van
6. Van một chiều
7. Van tháo khí

92

23


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các phương pháp đun nóng

Thiết bị tháo nước ngưng – phao hở

Đun nóng bằng khói lị

1. Thiết bị trao
đổi nhiệt
2. Van
3. Thiết bị tháo
nước ngưng
4. Đoạn ống phụ

1. Lò đốt

2. Phòng trộn 3. Thiết bị truyền nhiệt 4. Quạt

93

Các phương pháp đun nóng

94

Các phương pháp đun nóng

Đun nóng bằng khói lị

Đun nóng bằng khói lị

1. Nồi phản ứng
2. Lị đốt

Lị ống
1.Lị đốt 2.Phịng trộn 3.Quạt 4.Cửa khí vào
5.Phịng truyền nhiệt 6.Ống truyền nhiệt 7.Cửa khí ra
95

Kiểu nồi phản ứng đun nóng bằng khói lị

96

24


Chương 1

8/ 23/ 2017

Các phương pháp đun nóng

Các phương pháp đun nóng

Đun nóng bằng khói lị

1. Thiết bị
đun nóng
2. Thiết bị
đun nóng sơ
bộ
3. Quạt
4. Ống dẫn

khí
5. Ống thải
khí
6. Khóa điều
chỉnh

Sơ đồ đun nóng có tuần hồn khí thải

Đun nóng bằng dịng điện
Lị điện cảm ứng (induction furnace)

1.Thiết bị đun nóng
2.Dây dẫn điện
3.Lớp cách nhiệt

How an Induction Cooktop Works mp4.mp4

More induction heating madness.mp4

97

Induction Cooking Overview.mp4

98

Các phương pháp đun nóng

Các phương pháp đun nóng

Đun nóng bằng dịng điện

 Lị điện trở (resistance furnace)
 Lò điện trở trực tiếp
 Lò điện trở gián tiếp

Đun nóng bằng dịng điện
 Lị hồ quang điện (Arc Furnace):
 Nhiệt độ cao 1500 – 2500 oC,
 Khó điều chỉnh.

1.Thiết bị đun
nóng 2.Lớp lót
3.Lớp cánh nhiệt
4.Dây điện trở
5.Dây dẫn điện

 Nhiệt độ khơng đồng đều,
 Làm nóng chảy kim loại.
How To Make An Electrical Arc Furnace.mp4
Siemens VAI EAF Quantum N1 1280x720.mp4
99

How the electric elements on an electric furnace work Part 2.mp4

100

25