NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH
TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG TẤN KIỆT
HUỲNH DUY TÍN
Ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
Niên khóa: 2005 – 2009

Tháng 06/2009


NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH
TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG

Tác giả

TRƯƠNG TẤN KIỆT
HUỲNH DUY TÍN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Giáo viên hướng dẫn:
THẠC SĨ BÙI CÔNG HẠNH
KỸ SƯ NGUYỄN ĐỨC KHUYẾN

Tháng 06 năm 2009
i


CẢM TẠ

N

hững năm tháng sinh viên của chúng em giờ đây đang dần khép lại. Chúng
em rồi sẽ rời xa giảng đường đại học, nơi các thầy cô đã khắc sâu vào tâm
hồn chúng em những gương sáng làm người, sự mẫu mực của người giáo viên và
những tri thức, ...-những hạt giống tâm hồn ấy theo từng khắc thời gian thúc đẩy
chúng em trau dồi phẩm chất đạo đức làm người, đạo đức nghề nghiệp, tri
thức…Giờ đây khi đã trải qua hết tuổi sinh viên của mình, khi chúng em đã thực sự
trưởng thành; Chúng em đã hiểu được những điều mà thầy cô mong đợi ở chúng
em. Chúng em chợt nhớ rõ và cảm thấy thẹn lòng vì những lúc chưa thực sự cố
gắng, những lúc làm thầy cô chưa hài lòng khi đứng lớp. Chúng em vẫn biết mình
không thể thay đổi đươc những gì thuộc về kí ức. Nhưng giờ đây chúng em xin hứa
sẽ tiếp tục phấn đấu, phấn đấu thật nhiều để xứng đáng hơn với công sức thầy cô
đã ban tặng cho chúng em.
Với những cảm xúc sâu lắng ấy, Chúng em xin kính lời cảm ơn, lời chúc sức
khoẻ, và thành đạt đến:
o Các bậc sinh thành đã dưỡng dục, luôn là hậu phương vững
chắc để chúng con trưởng thành và thành đạt.
o Quý thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh nói
chung và quý thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh nói riêng, đặc biệt là
Thầy Thạc sĩ Bùi Công Hạnh cùng Thầy Nguyễn Đức Khuyến đã khích lệ,
chỉ bảo và động viên em rất nhiều trong cuộc sống, trong học tập cũng như
việc hoàn thành luận văn này.

o Quý thầy cô khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ,
Công ty TNHH Công Nghệ Thiên Hưng, Công ty dệt may Thái Tuấn đã tạo
điều kiện để chúng em nghiên cứu, tham quan các mô hình – tạo tiền đề cho
chúng em hoàn thành tốt đề tài trong khả năng của mình.
o Các anh chị em sinh viên ngành Công Nghệ Nhiệt Lạnh nói
riêng và Khoa Cơ Khí nói chung đã động viên có những đóng góp giúp
chúng tôi đi đến đích cuối cùng của đề tài.
Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn chỉnh đề tài của mình, Nhưng
chắc chắn rằng luận văn tốt nghiệp này vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn
sinh viên cho đề tài được hoàn thiện hơn.
Chân thành cảm ơn!
Hồ Chí Minh, năm học 2008-2009
Sinh Viên
Trương Tấn Kiệt
Huỳnh Duy Tín

ii


TÓM TẮT
Đề tài : Nghiên cứu mô hình truyền nhiệt ống lồng ống.
Thời gian và địa điểm thực hiện :
-

Thời gian: từ ngày 25/03/2009 đến ngày 30/06/2009

-

Địa điểm:

o Khoa Công Nghệ trường Đại Học Cần Thơ.
o Khoa Cơ Khí Công Nghệ - Xưởng thực hành thí nghiệm Công Nghệ
ôtô trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM.

Kết quả:
™

Đã khảo nghiệm mô hình truyền nhiệt tại khoa Công Nghệ trường Đại

học Cần Thơ.
™

Sau khi tham khảo một số tài liệu đã thiết kế mô hình truyền nhiệt gồm 3

cụm ống: lưu động song song, lưu động vuông góc, ống có cánh với các thông số:
-

Ống lưu động song song.
o Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: 0,069 m2
o Chiều dài thiết bị trao đổi nhiệt 1,3 m.
o Đường kính ống to D2/D1= 34/30 mm.
o Đường kính ống nhỏ d2/d1 = 21/17 mm

− Ống lồng ống lưu động vuông góc.
o

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: 0,068 m2

o

Chiều dài thiết bị trao đổi nhiệt 1,3 m.

iii


o

Đường kính ống to D2/D1= 49/45 mm.

o

Đường kính ống nhỏ d2/d1 = 21/17 mm

o

Số cánh đảo hướng 11.

− Ống có cánh
o Đường kính ống làm cánh d2/d1 = 39/33 mm.
o Đường kính cánh dc = 97 mm.
o Diện tích cánh 0,34 m2.
o Số cánh n = 62 cánh.
o Bước cánh t = 19,2 mm.
o Chiều cao cánh h = 29 mm.
™ Chế tạo mô hình truyền nhiệt đã tính toán sau đó tiến hành khảo nghiệm
mô hình chế tạo.
™ Xây dựng các bài thực tập trên mô hình truyền nhiệt ống lồng ống

iv

MỤC LỤC
Cảm tạ............................................................................................................................. ii
Tóm tắt........................................................................................................................... iii
Mục lục ............................................................................................................................v
Danh sách các chữ ký hiệu viết tắt ............................................................................... vii
Danh sách các bảng .........................................................................................................x
Danh sách các hình ........................................................................................................ xi
Chương 1: MỞ ĐẦU .....................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................1
1.2. Mục đích của đề tài...............................................................................................2
1.3. Thời gian và địa điểm thực hiện...........................................................................2
Chương 2: TỔNG QUAN .............................................................................................3
2.1. Các khái niệm về nhiệt .........................................................................................3
2.1.1. Nhiệt độ. ........................................................................................................3
2.1.2. Áp suất...........................................................................................................3
2.1.3. Thể tích riêng.................................................................................................4
2.2. Nước .....................................................................................................................4
2.2.1. Một số kiến thức về môi chất nước. ..............................................................4
2.2.2. Hơi nước. .......................................................................................................5
2.2.3. Quá trình hóa hơi đẳng áp. ............................................................................6
2.3. Một số kiến thức cơ bản về truyền nhiệt ..............................................................7
2.3.1. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt. .........................................................................7
2.3.2. Truyền nhiệt bằng đối lưu. ............................................................................9
2.3.3. Truyền nhiệt bằng bức xạ. ...........................................................................11
2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt .........................................................................................12
2.4.1. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt. ..................................................................12
2.5. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống. ..................................................................22
2.5.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng .................................................22
2.5.2. Các công thức tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống. .....................23

2.6. Thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh.....................................................................30
2.6.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng .................................................30
2.6.2. Các công thức tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh........................33
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............................38
3.1. Phương pháp thiết kế. .........................................................................................38
3.2. Phương pháp chế tạo. .........................................................................................38
3.3. Phương pháp khảo nghiệm. ................................................................................38
3.4. Nội dung thực hiện. ............................................................................................39
3.5. Phương tiện.........................................................................................................40
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................41
4.1. Khảo nghiệm mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống tại khoa Công Nghệ
trường Đại học Cần Thơ............................................................................................41
4.1.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động.................................................................41
4.1.2. Khảo nghiệm thực tế mô hình. ....................................................................44
v


4.2. Thiết kế các cụm ống trao đổi nhiệt. ..................................................................47
4.2.1. Trình tự tính toán thiết kế............................................................................47
4.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống lưu động song song............................48
4.2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống lưu động vuông góc...........................52
4.2.4. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh.................................................57
4.4. Chọn các thiết bị phụ khác. ................................................................................63
4.4.1. Dẫn nước nóng ............................................................................................63
4.4.2. Dẫn nước lạnh..............................................................................................64
4.4.3. Bơm nước. ...................................................................................................64
4.4.4. Lưu lượng kế ...............................................................................................64
4.4.5. Dụng cụ đo nhiệt độ ....................................................................................65
4.4.6. Điện trở........................................................................................................65
4.5. Trình tự chế tạo mô hình truyền nhiệt ống lồng ống..........................................65

4.5.1. Chế tạo các ống lồng ống ............................................................................65
4.5.2. Chế tạo ống có cánh. ...................................................................................67
4.5.3. Lắp đặt các đường ống dẫn nước ................................................................68
4.6. Khảo nghiệm mô hình truyền nhiệt tại khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại
học Nông Lâm TP. HỒ CHÍ MINH. .........................................................................70
4.6.1. Thời gian và địa điểm:.................................................................................70
4.6.2. Mục đích khảo nghiệm: ...............................................................................70
4.6.4. Phương pháp tiến hành lấy số liệu...............................................................70
4.6.5. Kết quả số liệu thu thập được và nhận xét. .................................................72
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................76
5.1. Kết quả................................................................................................................76
5.2. Hạn chế ...............................................................................................................77
5.3. Kiến nghị ............................................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
ptđ

Áp suất tuyệt đối.

pd

Áp suất dư.

pkt

Áp suất khí trời.

pck

Áp suất chân không.

v

Thể tích riêng.

V

Thể tích của vật.

m

Khối lượng của vật.

Qx

Dòng nhiệt truyền qua diện tích.

∂T
∂x

Gradient nhiệt độ theo phương truyền.

λ

Hệ số dẫn nhiệt.

λo

Hệ số dẫn nhiệt ở 0OC.

F

Diện tích bề mặt truyền nhiệt.

Q

Dòng nhiệt.

α

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu.

tw

Nhiệt độ bề mặt tấm phẳng.

tf

Nhiệt độ trung bình của chất lỏng.

Qbx

Năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối.

σ

Hằng số bức xạ.

D

Đường kính trong của ống to.

d2

Đường kính ngoài của ống nhỏ.

d1

Đường kính ngoài của ống nhỏ.

Q1

Nhiệt lượng do nước nóng nhả ra.

Q2

Nhiệt lượng do nước lạnh nhận được.

ηt

Hiệu suất tổn thất của thiết bị.

G1

Lưu lượng của nước nóng.

G2

Lưu lượng của nước lạnh.
vii


t1’

Nhiệt độ vào của nước nóng.

t1”

Nhiệt độ ra của nước nóng.

t2’

Nhiệt độ vào của nước lạnh.

t2”

Nhiệt độ ra của nước lạnh.

Cp1

Nhiệt dung riêng của nước nóng.

Cp2

Nhiệt dung riêng của nước lạnh.

i1’

Entanpi của nước nóng khi vào thiết bị.

i1”

Entanpi của nước nóng khi ra thiết bị.

i2’

Entanpi của nước lạnh khi vào thiết bị.

i2”

Entanpi của nước lạnh khi ra khỏi thiết bị.

k

Hệ số truyền nhiệt qua vách ống có chiều dày mỏng.

kL

Hệ số truyền nhiệt qua vách ống có chiều dày lớn.

Δt1

Độ chênh lệch nhiệt độ khi vào thiết bị.

Δt2

Độ chênh lệch nhiệt độ khi ra thiết bị.

Δt

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa nước nóng và nước lạnh.

L

Chiều dài của ống.

δ

Chiều dày của ống.

α1

Hệ số tỏa nhiệt bên trong ống nhỏ.

α2

Hệ số tỏa nhiệt bên ngoài ống nhỏ.

Δtmax Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình lớn.
Δtmin Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình nhỏ.
Δtng

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình tính theo sơ đồ ngược chiều.

εΔt

Hệ số hiệu chỉnh từ đồ thị phụ thuộc vào P và R.

Re

Hệ số Renold.

Nu

Hệ số Nusselt.

w1

Tốc độ của dòng nước nóng.

λ1

Hệ số dẫn nhiệt của nước nóng.

ρ1

Khối lượng riêng của nước nóng.

ν1

Độ nhớt động học của nước nóng

Prf1

Tiêu chuẩn Prandtl của nước nóng chọn theo nhiệt độ tf.

viii


Prw1

Tiêu chuẩn Prandtl của nước nóng chọn theo nhiệt độ tw.

Ko

Là hàm phụ thuộc vào Nu, Prf, Prw, εl khi môi chất ở chế độ chảy chuyển tiếp

εl

Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc chiều dài và đường kính trong của ống.

εR

Hệ số ảnh hưởng của ống uốn cong.

ko

Hệ số truyền nhiệt khi kể đến bụi bẩn.

w2

Tốc độ của dòng nước lạnh.

λ2

Hệ số dẫn nhiệt của nước lạnh.

ρ2

Khối lượng riêng của nước lanh.

ν2

Độ nhớt động học của nước lạnh

Prf2

Tiêu chuẩn Prandtl của nước lạnh chọn theo nhiệt độ tf.

Prw2

Tiêu chuẩn Prandtl của nước lạnh chọn theo nhiệt độ tw.

εc

Hệ số làm cánh.

αC

Hệ số tỏa nhiệt từ cánh tới môi trường không khí.

FC

Diện tích của cánh.

ηS

Hiệu quả của cánh.

s1

Bước ngang của ống.

t

Bước cánh.

w

Tốc độ không khí tại khe hẹp.

dE

Đường kính tương đương.

λC

Hệ số dẫn nhiệt của cánh.

δC

Chiều dày của cánh.

h

Chiều cao của cánh.

Gk

Lưu lượng của chất khí ứng với 1m2 khe hẹp.

Cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất khí.

Pr

Tiêu chuẩn Prantl của chất khí.

ρk

Khối lượng riêng của chất khí.

AO

Tiết diện vào dàn ống.

Amin

Tiết diện vào khe hẹp.

sC

Bước cánh.

αO

Hệ số tỏa nhiệt của cụm ống trơn.
ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Đặc tính hoạt động của một số loại ống nhiệt................................ 19
Bảng 2.2 εl = f (l / d1) ................................................................................... 28
Bảng 2.3 εl = f (Re, l / d1) .............................................................................. 29
Bảng 2.4 Ko = f (Ref) ..................................................................................... 30
Bảng 4.1 Kết quả tính toán ............................................................................ 47
Bảng 4.2 Số liệu khảo nghiệm....................................................................... 72
Bảng 4.3 Kết quả tính toán số liệu khảo nghiệm........................................... 74
Phụ lục 1 Mẫu bài thực tập cho phòng thí nghiệm ........................................ 80
Phụ lục 2 Kết quả khảo nghiệm mô hình tại trường Đại Học Cần Thơ......... 87
Phụ lục 3 Các mô hình tại khoa Công Nghệ trường Đại học Cần Thơ.......... 89

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Biểu diễn quá trình hóa hơi đẳng áp trên đồ thị T-s và p-v ........... 6
Hình 2.2 Dẫn nhiệt ........................................................................................ 8
Hình 2.3 Truyền nhiệt đối lưu trên tấm phẳng.............................................. 10
Hình 2.4 Truyền nhiệt bằng bức xạ............................................................... 11
Hình 2.5 Môi chất chuyển động cắt ngang ................................................... 12
Hình 2.6 Môi chất chuyển động cùng chiều và ngược chiều........................ 13
Hình 2.7 Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn ................................................... 14

Hình 2.8 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt.............................................. 15
Hình 2.9 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt ............................................. 15
Hình 2.10 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp....................................................... 16
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp ...................... 17
Hình 2.12 Cấu tạo ống nhiệt ........................................................................... 18
Hình 2.13 Sử dụng ống nhiệt làm nguội transistor công suất......................... 21
Hình 2.14 Ống nhiệt đặt ở dàn nóng, dàn lạnh của máy sấy cá...................... 21
Hình 2.15 Thiết bị ngưng hơi môi chất lạnh................................................... 22
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý máy nhuộm vải ................................................... 23
Hình 2.17 Hai môi chất nóng và lạnh lưu động cùng chiều ........................... 25
Hình 2.18 Hai môi chất nóng và lạnh lưu động ngược chiều ......................... 26
Hình 2.19 Bề mặt cánh cánh làm bên ngoài ................................................... 30
Hình 2.20 Bề mặt cánh làm bên trong ............................................................ 31
Hình 2.21 Ống có cánh ứng dụng trong các lò sấy gỗ .................................... 32
xi


Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý máy sấy vải sau khi nhuộm................................. 32
Hình 4.1 Hệ thống thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống .................................. 41
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị trao đổi nhiệt........................................... 42
Hình 4.3

Lưu lượng kế kiểu phao ................................................................ 43

Hình 4.4 Mô hình truyền nhiệt sau khi tính toán .......................................... 65
Hình 4.5 Vòng đệm được cắt làm cánh đảo hướng ...................................... 66
Hình 4.6 Ống có cánh được hàn sẵn cánh..................................................... 67
Hình 4.7 Mô hình truyền nhiệt...................................................................... 68
Hình 4.8 Dùng khí nén để thử kín mô hình .................................................. 68
Hình 4.9 Dùng nước xà phòng quét lên vị trí nối để phát hiện rò rỉ............. 69

Hình 4.10 Mô hình truyền nhiệt ống lồng ống đã chế tạo .............................. 69
Hình 4.11 Dùng nước xà phòng quét lên vị trí nối để phát hiện rò rỉ............. 70
Hình 4.12 Chuẩn bị thùng chứa để khảo nghiêm mô hình ............................. 71
Hình 4.13 Lưu lượng kế dòng nóng và dòng lạnh dùng để khảo nghiệm ...... 72
Hình 4.14 Sơ đồ phân bố nhiệt........................................................................ 74

xii


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề.
Thiết bị trao đổi nhiệt ngày nay phát triển nhanh và đa dạng. Chúng đã và đang
xâm nhập vào công nghiệp và đời sống, có vai trò quan trọng trong sử dụng năng
lượng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Các thiết bị luôn được cải tiến trên cơ sở
những công nghệ mới, kỹ thuật mới. Tuy nhiên nó vẫn tuân theo những nguyên lý cơ
bản về nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt. Sự hiểu biết về thiết bị trao đổi nhiệt sẽ
giúp chúng tôi có cơ sở vững chắc trong việc sử dụng thiết bị, lựa chọn các phương án
kỹ thuật một cách hợp lý trong sử dụng và thiết kế các dây chuyền công nghệ.
Trong quá trình học tập chúng tôi nhận thấy giữa tính toán lý thuyết và thực tế
có một khoảng sai số, nhất là là trong lĩnh vực thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt. Vì thế việc
xây dựng các mô hình truyền nhiệt là hết sức cần thiết nhằm đối chiếu, đánh giá giữa lý
thuyết tính toán và thực tế.
Hiện tại, phần lớn các trường đào tạo kỹ sư, kỹ thuật viên ở Việt Nam cơ sở hạ
tầng đặc biệt là thiết bị phục vụ cho công tác khảo nghiệm còn thiếu – đó là thực tế.
Điều đó gây khó khăn lớn cho sinh viên trong quá trình học tập, thực tập, thực hành –
thực tế cơ sở vật chất của khoa cơ khí trường Đại học Nông Lâm là một trường hợp
điển hình.
Khoảng thời gian học tập và qua quá trình thực tập thực tế, chúng tôi đã ấp ủ dự
định xây dựng mô hình truyền nhiệt phục vụ cho học tập và đợt thực hiện khóa luận tốt

nghiệp là một cơ hội quý giá để chúng tôi đem những lý thuyết học tập ở trường lớp
vào thực tế. Đề tài: “ Nghiên cứu mô hình thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống” là mô
hình truyền nhiệt chúng tôi thực hiện.

1


1.2. Mục đích của đề tài.
- Nghiên cứu mô hình thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống tại khoa Công Nghệ
trường Đại học Cần Thơ.
- Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm truyền nhiệt cho phòng thực tập nhiệt lạnh
khoa Cơ Khí – Công Nghệ trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM
- Xây dựng các bài thực tập về truyền nhiệt.
1.3. Thời gian và địa điểm thực hiện.
- Thời gian: từ ngày 25/03/2009 đến ngày 30/06/2009
- Địa điểm:
o Khoa Công Nghệ trường Đại Học Cần Thơ.
o Khoa Cơ Khí Công Nghệ - Xưởng thực hành thí nghiệm Công Nghệ ôtô
trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM.

2


Chương 2
TỔNG QUAN

2.1. Các khái niệm về nhiệt ./TL: 7/
2.1.1. Nhiệt độ.
Khái niệm: nhiệt độ của một vật biểu thị mức độ nóng hay lạnh của vật đó. Hiểu
theo một nghĩa khác, nhiệt độ biểu thị mức độ chuyển động của các phần tử vật chất.

Mức độ chuyển động càng lớn, vật càng nóng và ngược lại mức độ chuyển động càng
nhỏ vật càng lạnh. Nếu các phần tử ngừng chuyển động thì nhiệt độ đạt đến điểm không
tuyệt đối – 273,150C.
Đơn vị:
-

Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng thang nhiệt độ Kelvin (kí hiệu: K) song song với

thang nhiệt độ Celsius (kí hiệu: 0C)
-

Hệ IS sử dụng thang nhiệt độ Fahrenheit (kí hiệu: 0F) và Rankine (kí hiệu: 0R)

-

Có thể tính chuyển nhiệt độ theo các công thức sau đây:
+ Chuyển từ 0F sang 0C:
(0F – 32).(5/9) = 0C
+ Chuyển từ 0C ra độ 0F:
32 + (9/5).0C = 0F

2.1.2. Áp suất.
Khái niệm: áp suất là lực tác dụng dàn đều theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện
tích, ví dụ áp lực tác dụng lên thành bình chứa.

3


Đơn vị:
-

Hệ SI sử dụng các đơn vị N/m2 hoặc pascal (Pa). Ngoài ra còn sử dụng đơn vị

bội của Pa như 1bar = 105 Pa, kPa = 103 Pa, Mpa = 106 Pa.
-

Theo hệ IS sử dụng các đơn vị như: psi, inHg,…

Áp suất tuyệt đối trong bình chứa được tính như sau:
-

Áp suất trong bình chứa lớn hơn áp suất khí trời:
ptđ = pd + pkt
o ptđ: áp suất tuyệt đối.
o pd: áp suất dư.
o pkt: áp suất khí trời.

-

Áp suất bình chứa nhỏ hơn áp suất khí trời:
ptđ = pkt - pck
o pck: áp suất chân không.

2.1.3. Thể tích riêng.
Thể tích riêng là thể tích của một đơn vị khối lượng.
v=

V 3
(m / kg)
m

Trong đó:
- v: thể tích riêng (m3/kg).
- V: thể tích của vật (m3).
- m: khối lượng của vật (kg).
Áp suất, nhiệt độ, thể tích riêng là 3 đại lượng quan trọng, được gọi là 3 thông số
trạng thái cơ bản của vật chất.
2.2. Nước /TL: 8/.
2.2.1. Một số kiến thức về môi chất nước.

4


Ở điều kiện bình thường nước tồn tại ở thể lỏng. Khi đó nó có tính liên tục và tính
chảy được. Được cấu tạo từ các phân tử (nguyên tử) có lực liên kết rất yếu. Không chịu
lực cắt, lực kéo và không có hình dạng riêng. Hình dạng chính là hình dạng của vật thể
chứa nó. Khi ở thể rắn nó có hình dạng hữu hạn.
Đặc điểm:
-

Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C:

1 g/cm³. Với nhiệt độ trên 4°C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh
co; nhưng với nhiệt độ dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co.
-

Ở điều kiện áp suất là 1atm khi nhiệt độ dưới 0oC thì nước ở trạng thại thái rắn,

từ 0oC – 100oC nước tồn tại ở trạng thái lỏng, trên 100oC nước tồn tại ở trạng thái hơi.
-

Khi nhiệt độ của nước tăng thì entanpi tăng, áp suất tăng(nhiệt độ trên 100oC),

độ nhớt động học giảm, khối lượng riêng giảm.
Ứng dụng:
-

Nước được sử dụng trong công nghiệp như: cối xay nước, nồi hơi, nhà máy thủy

điện; là chất trao đổi nhiệt.
2.2.2. Hơi nước.
Nước ở điều kiện áp suất khí quyển, sôi 100oC. Sau khi nước đã sôi, nhiệt độ không
tăng lên nữa mặc dù quá trình đun nóng nước và biến thành hơi nước vẫn còn tiếp tục.
Sự biến thành hơi gọi là sự hóa hơi, nhiệt độ mà nồi nước vẫn duy trì cho đến lúc
biến thành hơi gọi là nhiệt độ sôi và hơi nước tạo thành lúc đó gọi là hơi bão hòa.
Phương trình trạng thái cho hơi nước được dùng nhiều nhất hiện nay là phương trình
Vukalovich-novikov:

ở đây : a,b,m, lμ các hệ số được xác định bằng thực nghiệm.
Đặc điểm:
-

Dữ trữ nhiệt cao.
5


-

Nhả ra nguồn nhiệt ở nhiệt độ cố định.

-

Sản xuất ra từ nước luôn có sẵn rất dồi dào.

-

Sạch: không màu, không mùi.

-

Nguồn nhiệt từ hơi nước có thể dùng bất cứ lúc nào, dùng lại nhiều lần, có thể

dùng hơi nước để chạy máy sinh công và sau đó hơi thải ra để gia nhiệt.
-

Sẵn sàng sử dụng, dễ kiểm tra và điều chỉnh theo ý muốn.

2.2.3. Quá trình hóa hơi đẳng áp.
Quan sát quá trình hóa hơi đẳng áp của nước trên đồ thị T-s hay (p-v) quá trình
này thể hiện bằng 3 đoạn: ab, bc, de (xem Hình 2.1)

Hình 2.1: Biểu diễn quá trình hóa hơi đẳng áp trên đồ thị T-s và p-v.
Trong giai đoạn đầu (ab), khi cung cấp nhiệt lượng, nhiệt độ nước tăng dần lên.
Trên đồ thị T-s, diễn biến quá trình thể hiện qua đoạn dốc ab (hay đoạn ab song song
trục hoành), vì p = constant và thể tích riêng tăng theo nhiệt độ.
Điểm b trên đồ thị T-s (hay đồ thị p-v) gọi là điểm sôi và nhiệt độ tại đây gọi là
nhiệt độ sôi, ký hiệu ts.
Điểm c gọi là trạng thái hơi bão hòa ẩm.
Điểm d gọi là trạng thái hơi bão hòa khô.
Điểm e gọi là trạng thái hơi quá nhiệt

Đường cong này gọi là đường bão hòa, nó chia đồ thị làm 3 vùng:
-

Vùng nước chưa sôi nằm phía trái quả chuông.
6


-

Vùng hơi bão hòa ở bên trong quả chuông.

-

Vùng hơi quá nhiệt bên phải quả chuông.

Điểm K gọi là điểm tới hạn: tại đây không có sự khác biệt giữa chất lỏng đang sôi
và hơi bão hòa khô.
Rõ ràng với một áp suất định nước sẽ bắt đầu sôi ở nhiệt độ xác định tương ứng và
trong suốt quá trình hóa hơi nhiệt độ này không thay đổi.
Những kết quả và đặc tính của quá trình hóa hơi của nước cũng sẽ đúng cho các chất
lỏng khác.
2.3. Một số kiến thức cơ bản về truyền nhiệt ./TL: 3/.
Khái niệm: truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật thể, các lưu chất khác
nhau có nhiệt độ chênh lệch nhau: đó là quá trình gia nhiệt , quá trình giải nhiệt, quá
trình ngưng tụ, quá trình bay hơi,…Do vậy, việc nghiên cứu về sự phân bố nhiệt độ
trong hệ là yếu tố rất quan trọng trong vấn đề truyền nhiệt. Điều quan tâm thực tế chính
là mức độ cụ thể của giá trị dòng nhiệt. Các bài toán về xác định dòng nhiệt và sự phân
bố nhiệt độ là những vấn đề chính trong nhiều ngành khoa học và kĩ thuật, trong thiết
kế các thiết bị trao đổi nhiệt như lò hơi, bình ngưng, lò sưởi,…
Phân loại:

Quá trình truyền nhiệt là quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi ba quá trình cơ bản
-

Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt

-

Truyền nhiệt bằng đối lưu.

-

Truyền nhiệt bằng bức xạ.

2.3.1. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt.
Dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có
nhiệt độ thấp do sự tương tác, va chạm của các hạt nguyên tử hay phân tử của một chất
ở những nhiệt độ khác nhau. Định luật cơ bản về dẫn nhiệt của Fourier (xem Hình 2.2)
thể hiện như sau:
Q x = −λ.F.

∂T
(W )
∂x

7


-

Ở đây:

+ Qx: dòng nhiệt truyền qua diện tích F (J/s).
+

∂T
: gradient nhiệt độ theo phương truyền.
∂x

+ λ: hệ số dẫn nhiệt, đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu
(W/m độ). Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và được
xác định bằng thực nghiệm. Thông thường trong thực nghiệm làm thế nào xác định mật
độ dòng nhiệt và gradient nhiệt thì hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức:
λ=

q
gradt

(W/ m độ)

+ F- diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2).
+ Dấu “-” thể hiện dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng hầu hết các vật liệu, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt
độ theo quan hệ đường thẳng.
λ = λ o .(1 + bt )

-

Trong đó:
+ λo: hệ số dẫn nhiệt ở 0oC.
+ b: hằng số được xác định bằng thực nghiệm.

Hình 2.2: Dẫn nhiệt.

8


Đối với chất khí: qua một số thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng hệ số dẫn nhiệt của
chất khí tỷ lệ với bình phương nhiệt độ tuyệt đối (nói cách khác: tốc độ truyền trong
chất khí biến đổi theo nhiệt độ tuyệt đối và tốc độ này có giá trị xấp xỉ tốc độ trung bình
của các phân tử khí).
Đối với chất lỏng: thực nghiệm chứng tỏ rằng hầu hết chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt
giảm khi nhiệt độ tăng trừ nước, glixerin và hệ số dẫn nhiệt tăng khi áp suất tăng. Hệ số
dẫn nhiệt của chất lỏng giọt nằm trong khoảng λ = 0,07 ÷ 0,7(W/m độ).
Đối với chất rắn: năng lượng truyền qua vật liệu rắn bằng hai cách do quá trình chất
động mạng tinh thể và do sự truyền dẫn của các electron tự do. Các vật liệu dẫn điện tốt
sẽ có tính dẫn nhiệt tốt. Ngược lại vật liệu cách điện tốt thì cũng cách nhiệt tốt.
2.3.2. Truyền nhiệt bằng đối lưu.
Quá trình tỏa nhiệt đối lưu chỉ xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với
chất lỏng (xem Hình 2.3) (chất lỏng tải nhiệt hiện nay dùng rất nhiều loại như nước,
dầu, rượu, dầu hỏa, ét xăng, không khí, các loại dung dịch và các loại khí khác) chuyển
động có nhiệt độ khác nhau, quá trình này luôn tồn tại dẫn nhiệt và trao đổi nhiệt đối
lưu một cách đồng thời. Trao đổi nhiệt bằng đối lưu là quá trình truyền nhiệt năng khi
chất lỏng dịch chuyển trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ
khác. Trao đổi nhiệt bằng đối lưu chỉ xảy ra trong môi trường chất lỏng vì sự truyền
nhiệt lượng luôn luôn gắn với chuyển động của môi trường, còn dẫn nhiệt như chúng ta
biết khi các vật hoặc các phần của vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau;
trao đổi nhiệt bằng đối lưu đơn thuần sẽ không tồn tại, mà trao đổi nhiệt bằng đối lưu
luôn luôn đồng thời kèm theo dẫn nhiệt. Quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi bề mặt vật
rắn tiếp xúc với chất lỏng (dẫn nhiệt và đối lưu đồng thời xảy ra) gọi là quá trình tỏa
nhiệt đối lưu.

9


Hình 2.3:Truyền nhiệt đối lưu trên tấm phẳng.
Theo định luật Fourier, quan hệ giữa nhiệt lượng truyền và điều kiện trao đổi nhiệt
có thể xác định theo biểu thức:
Q = −λ ∫ gradt f .dF
F

Nhưng trên thực tế không thể áp dụng công thức này được, bởi vì muốn tính được Q
cần phải biết grantf quy luật thay đổi của nó trên toàn bộ bề mặt của nó rất khó thực
hiện.
Do đó, để thuận tiện khi tính toán thường dùng công thức Newton:
Q = α.F.(t f − t W )(W )

-

Trong đó:
+ Q: dòng nhiệt (W).
+ F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2).
+ α: hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m2oC).
+ tw: nhiệt độ mặt tấm phẳng (oC hoặc K).
+ tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (oC hoặc K).

Nếu sự chuyển động của dòng chất lỏng là do nhân tạo (dùng bơm, quạt, máy
nén,…) để cưỡng bức dòng chất lỏng chảy qua vật, thì trong trường hợp này quá trình
đối lưu được gọi là quá trình đối lưu cưỡng bức.

10

Nếu chất lỏng chuyển động không có sự dẫn động bởi bất kỳ nguồn nhiệt bên ngoài
mà là do khối lượng riêng chất lỏng thay đổi và chất lỏng ở trong trường trọng lực thì
quá trình đó gọi là quá trình đối lưu tự nhiên.
2.3.3. Truyền nhiệt bằng bức xạ.
Với quá trình truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu thì hai môi trường truyền nhiệt
trực tiếp cho nhau, còn đối với quá trình truyền nhiệt bằng bức xạ thì quá trình truyền
thông qua một môi trường chân không. Hai vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau
trong môi trường chân không, sẽ xảy ra quá trình truyền nhiệt và quá trình truyền nhiệt
bằng bức xạ đó do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật nên ta gọi là quá trình bức xạ
nhiệt (xem Hình 2.4)

Hình 2.4: Truyền nhiệt bằng bức xạ.
Giải thích định tính về cơ chế của quá trình truyền năng lượng bức xạ về mặt lý
thuyết sóng. Trong quá trình phát ra bức xạ, vật thể chuyển một phần nội năng của nó
sang dạng sóng điện từ. Các sóng này di chuyển trong không gian cho đến khi va chạm
với một vật thể khác, ở vật thể thứ hai sẽ hấp thụ một phần năng lượng và chuyển năng
lượng đó sang nội năng. Quá trình phát xạ là nguyên nhân làm giảm nội năng trong vật
thể phát xạ và nếu trong bản thân vật thể không có sự tái sinh nhiệt như trong mặt trời
hoặc trong vật thể nhận nhiệt từ các nguồn nhiệt khác thì nhiệt độ của nó sẽ giảm. Chỉ
khi mật độ nhiệt tái sinh hoặc nhận vào cân bằng với mật độ năng lượng phát ra thì khi
đó nhiệt độ của vật thể sẽ không đổi.
11


Định luật Stefan-Boltzman về bức xạ nhiệt, và chỉ áp dụng cho vật đen tuyệt đối:
Q bx = σ.F.T 4

-

Trong đó:
+ Qbx: Năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối (W).
+ σ: hằng số tỷ lệ, hằng số Stefan – Boltzman σ = 5,669.10-8 (W/m2.K4).

2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt./TL:1,6/.
Thiết bị trao nhiệt là thiết bị thực hiện chức năng đem nhiệt lượng của chất lỏng
nóng truyền cho chất lỏng lạnh.
Trong kỹ thuật thiết bị trao đổi nhiệt rất phổ biến và giữ vai trò rất quan trọng.
Thiết bị trao đổi nhiệt trong thực tế rất đa dạng về cấu tạo tùy theo yêu cầu và chức
năng của nó trong kỹ thuật ví dụ: bình ngưng, bình bốc hơi, thiết bị chưng cất, tháp giải
nhiệt,…
Về phương diện cấu tạo thì thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng và có nhiều tên gọi
khác nhau, tuy nhiên đứng trên quan điểm nguyên lý hoạt động thì có 4 dạng chính.
Mỗi dạng chính tuy có khác nhau về hình thức nhưng có cùng bản chất do đó có
phương pháp tính toán giống nhau.
2.4.1. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt.
Phân loại theo chiều chuyển động của môi chất.
-

Tùy theo chiều chuyển động của môi chất trong thiết bị, ta có thể chia thiết bị

trao đổi nhiệt ra làm: cùng chiều, ngược chiều, loại cắt ngang, loại hỗn hợp (có phần
thiết bị chuyển động cùng chiều, có phần thiết bị chuyển động ngược chiều,…) (Hình
2.5 và Hình 2.6)

Hình 2.5: Môi chất chuyển động cùng chiều và ngược chiều.

12