Giáo trình hình thành hệ thống ứng dụng tốc độ dòng hơi trong áp suất tản nhiệt p4 pdf

118
Ta thấy khi hệ số làm cánh
c
tăng mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh
q
1
tăng và ngợc lại
c
giảm thì q
1
giảm. Còn khi tăng hệ số làm cánh
c
mật độ
dòng nhiệt phía làm cánh q
2
sẽ giảm và ngợc lại khi
c
giảm thì q
2
tăng

4.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt

4.2.2.1 Các phơng trình cơ bản tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách
ngăn

a) Phơng trình truyền nhiệt:
Q = k.F. t; W, (4-11)
trong đó:
Q - lợng nhiệt trao đổi giữa hai môi chất,
F - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m

2

k - là hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt, W/m
2
K;
t
x
- độ chênh nhiệt độ trung bình.
b) Phơng trình cân bằng nhiệt
Q = G
1
C
p1
(t
1
t
1
) = G
2
C
p2
(t
2
t
2
), (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 lu lợng khối lợng, kg/s:

G = V.
V - lu lợng thể tích, m
3
/s
- khối lợng riêng, kg/ m
3

C
p
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
t
1
= t
1
- t

2


;
t
2
=

t
1
- t
2

Đối với dòng chất lỏng chuyển động song song ngợc chiều
t
1
= t
1
t
2
;
t
2
=

t
1
- t
2

4.2.2.2. Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt


t
k
Q
F

=
(4-14)

4.3. BàI tập về bức xạ nhiệt và truyền nhiệt

119
Bài 4.1 Một thanh thép có nhiệt độ là 727
0
C, độ đen = 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
T
CE

=

T = 273 + 727 = 1000
0
C,

=






=
4
100
1000
.67,5.7,0E
; W/m
2

E = 3,97.10
4
; W/m

2

Nếu nhiệt độ của thanh thép giảm đi 2 lần:

5,636
2
727
273T =+=
0
K;

4,6514
100
5,636
.67,5.7,0E
4
=






=
; W/m
2

E = 6514,4; W/m
2

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 t
1
= 527
0
C, độ đen

1
= 0,8, tấm thứ hai có nhiệt độ t
2
= 27
0
C, độ đen
2
= 0,6. Tính khả năng bức xạ
của mỗi tấm, độ đen qui dẫn và lợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai tấm
phẳng.

Lời giải
Khả năng bức xạ của thanh thép:

4
4
1

011
100
800
.67,5.8,0
100
T
CE






=






=

E
1
= 18579; W/m
2


4
4

2
022
100
300
.67,5.6,0
100
T
CE






=






=

E
2
= 275; W/m
2

Lợng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai tấm phẳng ứng với một đơn vị
diện tích theo (4-1) và (4-2):

=
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
1
11
1
21
qd
=
+
=


+

=

11975
100
300
100
800
.67,5.526,0q
44
21
=

=

; W/m
2


Bài 4.3 Xác định tổn thất nhiệt do bức xạ từ bề mặt ống thép có đờng kính d =
70 mm, dài 3 m, nhiệt độ bề mặt ống t
1
= 227
0
C trong hai trờng hợp:
a) ống đặt trong phòng rộng có nhiệt độ tờng bao bọc t
1
= 27
0
C.
b) ống đặt trong cống có kích thớc (3 x 0,3) m và nhiệt độ vách cống t
2
=
27
0
C. Biết độ đen của ống thép
1
= 0,95 và của vách cống
2
= 0,3.

Lời giải

Trờng hợp ống đặt trong phòng rộng theo (4-4) và (4-5), khi F
2
= :





















=
4
2
4
1
10qd12

100
T
100
T
.F.CQ

Với
qd
=
1
; F
1
= .d.l = 3,14.0,07.3 = 0,66 m
2


1934
100
300
100
500
66,0.67,5.95,0Q
44
21
=

=

;
Q
1-2
= 1934W.
Trờng hợp ống đặt trong cống hẹp có độ đen qui dẫn theo (4-5):

+

=
1
1
F
F
1
1
22
1
1
qd

F
2
= 2.(0,3 + 0,3).3 = 3,6 m
2
,






+
=

1
3,0
1
6,3
66,0
95,0
1
1
qd

1374
100
300
100
500
66,0.67,5.675,0Q
44
21
=

=


Q
1-2
= 1374 W .


Bài 4.4 Hai hình hộp lập phơng 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
1
= 0,4,
2
= 0,5:
121
39,0

1
5,0
1
2,0.6
05,0.6
4,0
1
1
1
1
F
F
1
1
2
2
22
1
1
qd
=






+
=

+

=


ở đây F
1
= 6.0,05
2
, m
2
; F
2
= 6.0,2
2
, m
2
.
F
1
và F

2
là diện tích các mặt của hình lập phơng.

Bài 4.5 Một tờng 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
0
C, hệ số toả nhiệt từ khói đến
gạch là 34,8 W/m
2
.K; nhiệt độ không khí xung quanh bằng 30
0
C. hệ số toả nhiệt
từ gạch đến không khí là 11,6 W/m
2
.K.
Tìm mật độ dòng nhiệt truyền qua tờng lò và nhiệt độ tiếp xuc giữa hai
lớp gạch.

Lời giải
Mật độ dòng nhiệt truyền qua tờng lò:
)tt(kq
2f1f
=
với:
6,11
1
695,0
250,0
348,0

250,0
8,34
1
1
11
1
k
22
2
1
1
1
+++
=

+


+


+

=


k = 0,838 W/m
2
.K

q = 0,838.(1300 30) = 1064 W/m
2
.K

Nhiệt độ bề mặt tờng phía khói:


1269
8,34
1
10641300
1
.qtt
1
1fƯ1WƯ
==

=
0
C,
Nhiệt độ tiếp xúc giữa hai lớp gạch:


348,0
250,0
10641269.qtt
1
1
1WƯ2WƯ
=

=
t
W2
= 504
0
C.


Bài 4.6 Một ống dẫn hơi làm bằng thép, đờng kính 200/216 mm, hệ số dẫn nhiệt
bằng 46 W/m.K, đợc 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
0
C. Hệ số toả nhiệt từ hơi
đến bề mặt trong của ống bằng 116 W/m
2
.K; nhiệt độ không khí xung quanh bằng
25
0
C. 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
1
k

+

+

+

=
; W/m.K
d
1
= 0,2 m; d
2
= 0,216 m
d
3
= d
2
+ 2 = 0,216 + 2.0,12 = 0,456 m.

456.0.14,3.10
1
216
456
ln
116,0.14,3.2
1
200
216
ln
216.14,3.2
1
2,0.14,3.116
1
1
k

1
+++
=

k
1
= 0,9 W/m.K,
q
l
= 0,9.(300-25) = 247,5 W/m
Nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt xác định từ đIều kiện ổn định nhiệt:
q
l
= q
13
= ..d
3
.(t
W3
-t
f2
)

456,0.14,3.10
5,247
25
d
q
tt
3

l
2f3WƯ
+=

+=
t
W3
= 42
0
C.


Bài 4.7 Một thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng nóng đợc làm nguội từ 300
0
C đến
200
0
C, chất lỏng lạnh đợc đốt nóng từ 25
0
C đến 175
0
C. Tính độ chênh nhiệt độ
trung bình trong các trờng hợp sau:
a) chất lỏng chuyển động song song cùng chiều.
b) chất lỏng chuyển động song song ngợc chiều.

Lời giải
a) Trờng hợp chất lỏng chuyển động song song cùng chiều:
t
1

= t
1
- t
2


= 300 25 = 275
0
C
t
2
=

t
1
- t
2
= 200 175 = 25
0
C

104
25
275
ln
25275
t
t
ln
tt

t
2
1
21
=

=



=
0
C
b) Trờng hợp chất lỏng chuyển động song song ngợc chiều:
t
1
= t
1
t
2
= 300 175 = 125
0
C
t
2
=

t
1
- t

2
= 200 25 = 175
0
C
149
175
125
ln
175125
t
t
ln
tt
t
2
1
21
=

=



=
0
C.


Bài 4.8 Trong một thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội chất lỏng nóng từ 120
0

C
đến 50
0
C, chất lỏng nóng có nhiệt dung riêng C
p1
= 3,04 kJ/kg.K. chất lỏng lạnh
123
(chất cần gia nhiệt) có lu lợng 1000 kg/h, nhiệt độ vào thiết bị là 10
0
C, nhiệt
dung riêng C
p2
= 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 trờng hợp sau:
a) chất lỏng chuyển động song song cùng chiều.
b) chất lỏng chuyển động song song ngợc chiều.

Lời giải
Nhiệt lợng do chất lỏng nóng nhả ra:
Q = G
1
C
p1
(t
1
t
1
)

5,16255)50120.(10.04,3.
3600
275
Q
3
== W
Nhiệt độ ra của chất lỏng lạnh xác định từ phơng trình cân bằng nhiệt:

Q = G
1
C
p1
(t
1
t
1
) = G
2
C
p2
(t
2
t
2
),

2p2
111p1
22

C.G
)"t't.(C.G
't"t

+=
Độ chênh nhiệt độ trung bình trong trờng hợp

chuyển động song song
cùng chiều theo (4-13):
t
1
= t
1
- t
2


= 120 25 = 110
0
C
t
2
=

t
1
- t
2
= 50 24 = 26
0

C

3,58
26
110
ln
26110
t
t
ln
tt
t
2
1
21
cc
=

=




=
0
C
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong trờng hợp

chuyển động song song
cùng chiều theo (4-14):

Q = k.F
cc
.T
cc


24,0
3,58.1160
16255
t.k
Q
F
cc
==

= m
2

Độ chênh nhiệt độ trung bình trong trờng hợp

chuyển động song song
ngợc chiều theo (4-13):
t
1
= t
1
t
2
= 120 24 = 96
0

C
t
2
=

t
1
- t
2
= 50 10 = 40
0
C
64
40
96
ln
4096
t
t
ln
tt
t
2
1
21
nc
=

=

=
0
C.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt trong trờng hợp

chuyển động song song
ngợc chiều theo (4-14):
Q = k.F
nc
.T
nc


22,0
64.1160
16255
t.k
Q
F
nc
==

= m
2
./.

CHơNG I
vai trò các hệ thống lạnh
trong nền kinh tế quốc dân

Kỹ thuật lạnh đã ra đời hàng trăm năm nay và đợc 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
rợu, bia, sinh học, đo lờng 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, đợc 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 đợc
trong đời sống và kỹ thuật của tất cả các nớc.
Dới 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 40ữ50
o
C 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 thờng cứ giảm 10
o
C 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 nhng
không tiêu diệt đợc chúng. Nhiệt độ xuống dới 0
o
C, phần lớn hoạt
động của enzim bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men nh lipaza, trypsin,
catalaza ở nhiệt độ -191
o
C 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 nớc và các chất tan của tế bào giảm.
- Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm.

Bảng 1-1: Khả năng phân giải phụ thuộc nhiệt độ

Nhiệt độ,
o
C 40 10 0 -10
Khả năng phân giải, % 11,9 3,89 2,26 0,70

Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể

độc lập với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào
thực vật không bị chết khi nớc trong nó cha đóng băng.
Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền
với cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào
động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dới 4
o
C so với thân nhiệt bình
thờng của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự
phân lớp của các chất tan trong cơ thể.
Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống
khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu
bình thờng của điều kiện môi trờng trong một khoảng thời gian nhất
định. Khi tăng nhiệt độ, hoạt động sống của chúng phục hồi, điều này
đợc ứng dụng trong vận chuyển động vật đặc biệt là thuỷ sản ở dạng
tơi sống, đảm bảo chất lợng tốt và giảm chi phí vận chuyển.
* ảnh hởng của lạnh đối với vi sinh vật.
- Khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau. Một số
loài chết ở nhiệt độ 20ữ0
o
C. Tuy nhiên một số khác chịu ở nhiệt độ
thấp hơn.
Khi nhiệt độ hạ xuống thấp nớc trong tế bào vi sinh vật đông đặc
làm vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt khác nhiệt độ thấp, nớc đóng băng
làm mất môi trờng khuyếch tán chất tan, gây biến tính của nớc làm
cho vi sinh vật chết.
Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thờng phát triển theo chế độ
nhiệt riêng

4

Bảng 1-2: ảnh hởng của nhiệt độ đến vi sinh vật

Vi khuẩn Nhiệt độ
thấp nhất
Nhiệt độ
thích hợp nhất
Nhiệt độ
cao nhất
- Vi khuẩn a lạnh
(Psychrophiles)
- Vi khuẩn a ấm
(Mesophiles)
- Vi khuẩn a nóng
(Thermopphiles)
0
o
C

10 ữ 20
o
C

40 ữ 90
o
C
15 ữ 20
o
C

20 ữ 40

o
C

50 ữ 55
o
C
30
o
C

45
o
C

50 ữ 70
o
C

Nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, nhng ở nhiệt độ -10
o
C hầu hết
ngừng hoạt động ngoài trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicellium. Để
ngăn ngừa mốc phải duy trì nhiệt độ dới -15
o
C. Các loài nấm có thể
sống ở nơi khan nớc nhng tối thiểu phải đạt 15%. ở nhiệt độ -18
o
C,
86% lợng nớc đóng băng, còn lại 14% không đủ cho vi sinh vật phát
triển.

Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài cần duy trì nhiệt độ kho lạnh
ít nhất -18
o
C.
Để bảo quả thực phẩm ngời ta có thể thực hiện nhiều cách nh:
Phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phơng pháp bảo
quả lạnh tỏ ra có u điểm nổi bật vì:
- Hầu hết thực phẩm, nông sản đều thích hợp đối với phơng pháp
này.
- Việc thực hiện bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với
tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản.
- Bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn đợc
hơng vị, màu sắc, các vi lợng và dinh dỡng trong thực phẩm.

1.1.2 Các chế độ xử lý lạnh thực phẩm
Thực phẩm trớc khi đợc đa vào các kho lạnh bảo quản, cần đợc
tiến hành xử lý lạnh để hạ nhiệt độ thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu sau
khi đánh bắt, giết mổ xuống nhiệt độ bảo quản.
Có hai chế độ xử lý lạnh sản phẩm là xử lý lạnh và xử lý lạnh đông

5
a) Xử lý lạnh là làm lạnh các sản phẩm xuống đến nhiệt độ bảo
quản lạnh yêu cầu. Nhiệt độ bảo quản này phải nằm trên điểm đóng
băng của sản phẩm. Đặc điểm là sau khi xử lý lạnh, sản phẩm còn
mềm, cha bị hóa cứng do đóng băng.
b) Xử lý lạnh đông là kết đông (làm lạnh đông) các sản phẩm.
Sản phẩm hoàn toàn hóa cứng do hầu hết nớc và dịch trong sản phẩm
đã đóng thành băng. Nhiệt độ tâm sản phẩm đạt -8
0
C, nhiệt độ bề mặt

đạt từ -18
0
C đến -12
0
C.
Xử lý lạnh đông có hai phơng pháp:
a) Kết đông hai pha
Thực phẩm nóng đầu tiên đợc làm lạnh từ 37
0
C xuống khoảng
4
0
C sau đó đa vào thiết bị kết đông để nhiệt độ tâm khối thực phẩm
đạt -8
0
C.
b) Kết đông một pha
Thực phẩm còn nóng đợc đa ngay vào thiết bị kết đông để hạ
nhiệt độ tâm khối thực phẩm xuống đạt dới -8
0
C.
Kết đông một pha có nhiều u điểm hơn so với kết đông hai pha
vì tổng thời gian của quá trình giảm, tổn hao khối lợng do khô ngót
giảm nhiều, chi phí lạnh và diện tích buồng lạnh cũng giảm.
Đối với chế biến thịt thờng sử dụng phơng pháp 01 pha. Đối
với hàng thuỷ sản do phải qua khâu chế biến và tích trữ trong kho chờ
đông nên thực tế diễn ra 2 pha.
Các loại thực phẩm khác nhau sẽ có chế độ bảo quản (bảng 1-3
và 1-4) và đông lạnh thích hợp khác nhau (bảng 1-5).
ở chế độ bảo quản lạnh và trong giai đoạn đầu của quá trình kết

động hai pha, ngời ta phải gia lạnh sản phẩm. Thông thờng thực
phẩm đợc gia lạnh trong môi trờng không khí với các thông số sau:
- Độ ẩm không khí trong buồng: 85 ữ 90%
- Tốc độ không khí đối lu tự nhiên: 0,1 ữ 0,2 m/s; đối lu cỡng
bức cho phép 0,5 m/s (kể cả rau quả, thịt, cá, trứng ).
- Giai đoạn đầu, khi nhiệt độ sản phẩm còn cao, ngời ta giữ nhiệt
độ không khí gia lạnh thấp hơn nhiệt độ đóng băng của sản phẩm
chừng 1 ữ 2
0
C. Nhiệt độ đóng băng của một số sản phẩm nh sau: thịt
-1,2
0
C, cá từ 0,6 ữ -2
0
C, rau quả - 0,84 -4,2
0
C. Nhiệt độ không khí gia
tăng 2
0
C thì thời gian gia nhiệt kéo dài thêm 5h.

6