›
›

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 4: Dẫn nhiệt

pdf 41 trang ngocly 630
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 4: Dẫn nhiệt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_nhiet_chuong_4_dan_nhiet.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 4: Dẫn nhiệt

  1. NỘI DUNG CƠ BẢN  Phần nhiệt động: nghiên cứu các quá trình biến đổi năng lượng liên quan đến năng lượng nhiệt (chủ yếu giữa CƠ NĂNG và NHIỆT NĂNG)  Phần truyền nhiệt: nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật  Đối tượng nghiên cứu: chủ yếu là MÁY NHIỆT và THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  2. PHẦN THỨ HAI TRUYỀN NHIỆT
  3. CÁC DẠNG TRAO ĐỔI NHIỆT CƠ BẢN  Dẫn nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau.  Đối lưu: là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau.  Bức xạ: Là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  4. DẪN NHIỆT
  5. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trường nhiệt độ: là tập hợp các giá trị nhiệt độ của các điểm khác nhau trong không gian khảo sát tại một thời điểm nào đó. Trường nhiệt độ không ổn định 3 chiều: t = f (x, y, z, ) Trường nhiệt độ ổn định 3, 2, 1 chiều: t = f (x, y, z); t = f (x, y); t = f (x) Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  6. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mặt đẳng nhiệt: là bề mặt chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm. Các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  7. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Građian nhiệt độ: là tốc độ thay đổi nhiệt độ theo hướng pháp tuyến với mặt đẳng nhiệt. t t n grad(t) lim K / m x n 0 n n ∆n ∆x t + ∆t t t - ∆t Grad(t) là một đại lượng véctơ có phương vuông góc với mặt đẳng nhiệt và chiều + là chiều tăng nhiệt độ. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  8. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mật độ dòng nhiệt: là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian – q (W/m2) Dòng nhiệt: là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian – Q (W) dQ qdF; Q qdF Le Anh Son, Power engineering department,F Hua
  9. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định luật Fourier về dẫn nhiệt: t q  grad(t)  ; W/m 2  n Véc tơ mật độ dòng nhiệt có phương trùng với phương của grad(t), chiều dương là chiều giảm nhiệt độ (ngược chiều với grad(t)). Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  10. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ số dẫn nhiệt: là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1 q  W/mK t Hệ số dẫn nhiệt đặc trưng cho khả n năng dẫn nhiệt của vật. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  11. HỆ SỐ DẪN NHIỆT Phụ thuộc vào bản chất của các chất rắn > lỏng > khí Phụ thuộc vào nhiệt độ  = o(1 + bt) o o - hệ số dẫn nhiệt ở 0 C b - hệ số thực nghiệm (+/-) Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  12. HỆ SỐ DẪN NHIỆT  của kim loại nguyên chất và hầu hết chất lỏng (trừ nước và Glyxerin) giảm khi t tăng Chất cách nhiệt và chất khí có  tăng khi t tăng  của vật liệu xây dựng còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm.  ≤ 0,2 W/mK có thể làm chất cách nhiệt Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  13. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Xét dòng nhiệt truyền qua bề mặt dxdy: t z dQz dxdy z dQz+dz dQy  t dQz dz dxdy t dz z z dz 2 t  t dQx dQx+dx dxdy dxdydz qv z z 2 dy x 2 dQy+dy dx  t dQz dQ dQ dxdydz z z dz z 2 y Lượng nhiệt tích lại theo phương z Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  14. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Lượng nhiệt tích lại theo 3 phương: 2t z dQz+dz dQx dQx dx dxdydz 2 x dQy 2t dQ dQ dxdydz dz y y dy 2 dQ dQ y x qv x+dx 2  t dy x dQz dQz dz dxdydz 2 dQy+dy dx z dQz y Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  15. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Tổng lượng nhiệt tích lại theo cả 3 phương: z dQz+dz dQy dz dQx qv dQx+dx dy x 2 2 2 dQy+dy dx  t  t  t dQz dQ dxdydz 2 2 2 y x y z Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  16. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT  Theo định luật bảo toàn năng lượng:  2t 2t 2t dQ dxdydz z 2 2 2 x y z dQz+dz dQy t dQ C dxdydz dxdydz.qv  dz 2 2 2 dQ dQ t   t  t  t q x qv x+dx v 2 2 2  C x y z C dy x 2 2 2 dQy+dy dx t  t  t  t q dQz a v 2 2 2 y  x y z C a - hệ số dẫn nhiệt độ [m2/s] Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  17. ĐIỀU KIỆN ĐƠN TRỊ Điều kiện thời gian: cho sự phân bố nhiệt độ tại thời điểm ban đầu. Điều kiện hình học: cho biết hình dạng, kích thước của vật đang khảo sát. Điều kiện vật lý: thông số vật lý của vật đang khảo sát. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  18. ĐIỀU KIỆN ĐƠN TRỊ  Điều kiện biên: - Loại 1: phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật ở thời điểm bất kỳ. - Loại 2: mật độ dòng nhiệt qua bề mặt vật ở thời điểm bất kỳ. - Loại 3: quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt của vật với môi trường xung quanh. dt tw t f  dx x 0 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  19. GIẢI BÀI TOÁN DẪN NHIỆT Tìm phân bố nhiệt độ (trường nhiệt độ) Tìm mật độ dòng nhiệt Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  20. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG
  21. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH, KHÔNG NGUỒN TRONG 2 2 2 z t  t  t  t qv a dQz+dz 2 2 2 dQy  x y z C dz t dQ dQ 0; q 0 x qv x+dx  v dy x 2 2 2 dQy+dy dx  t  t  t dQz 0 y 2 2 2 x y z Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  22. QUA VÁCH PHẲNG MỘT LỚP 2 2 2 2  t  t  t d t t 0 0  = const 2 2 2 2 x y z dx dt  t A w1 dx q  A dt  q  dx q  t Ax C x C q   t x tw1 tw2  x 0, t tw1 C tw1  dx  tw1 tw2 t x  , t tw2 q tw1 tw2   R x   Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  23. QUA VÁCH PHẲNG NHIỀU LỚP  t t t t q 1 t t w1 w2 w1 w2 w1 w2  t 1 1 R1 1 1 2 3 tw1 tw1 tw2 qR1  tw2 tw2 tw3 qR2  tw1 tw4 q R1 R2 R3 tw3 tw4 qR3  tw3 t t t t q w1 w4 w1 w4 R R R    1 2 3 1 2 3 1 2 3 t t t t t w4 q w1 w n 1 w1 w n 1   Ri i  x i 1 2 3 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  24. QUA VÁCH TRỤ MỘT LỚP dt Q dr t, z Q  (2 rl) dt  = const dr 2 l r Q t ln r C 2 l tw1 Q r r ; t t C t ln r 1 w1 w1 2 l 1 t Q r w2 t tw1 ln 2 l r1 dr Q r r r ; t t t t ln 2 2 w2 w2 w1 r 2 l r1 r1 Q tw1 tw2 tw1 tw2 W r ql   l R m 1 r2 l r2 ln 2  r1 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  25. QUA VÁCH TRỤ NHIỀU LỚP t t t t t q w1 w2 w1 w2 l 1 d R ln 2 l1 1 2 3 2 1 d1 tw1 tw1 tw2 ql Rl1  t w2 tw2 tw3 ql Rl 2  tw1 tw4 ql Rl1 Rl 2 Rl3 tw3 tw4 ql Rl3  tw3 tw1 tw4 ql tw4 Rl1 Rl 2 Rl3 tw1 tw n 1 tw1 tw n 1 r q r1 l R  li 1 di 1 r2  ln 2 i di r3 r4 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  26. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH KHI CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG
  27. DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG t 2t 2t 2t q a v z 2 2 2  x y z C dQz+dz dQy t 0;  dz dQx q dQx+dx 2t 2t 2t q v a v 0 2 2 2 x y z C dy x dQ dx y+dy dQ 2t 2t  2t q z v 0 y 2 2 2 x y z  Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  28. TẤM PHẲNG ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG t  = const 2t 2t 2t q v 0 2 2 2 x y z  to d 2t q dt q v 0 v x C dx2  dx  1 dt x 0, 0 C1 0 dx tw tw dt q q v x t v x2 C tf tf dx  2 2 q x  , t t C t v  2 w 2 w 2 qv 2 2 t  x tw -x 0 x 2 2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  29. TẤM PHẲNG ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN t TRONG  = const dt q v  to x dx  qv    tw t f dt   tw t f dx x   tw tw qv  tw t f tf tf qv 2 2 qv  t  x t f q 2 t v  2 x2 t 2 w  qv 2 2 tw t f t  x t f -x 0 x 2 2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  30. TẤM PHẲNG ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN t TRONG  = const dt  q  dx W to  q qv x dt q m2 v x dx   W t t x  q q  w w w v 2 m tf tf q  2 q  q q   v v v 2 2 v to t f t  x t f 2 2  2 qv x 0; t to  to tw 2 -x 0 x 2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  31. THANH TRỤ ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG 2 t d t dt qv   = const 2 0 dr rdr  du u qv  0 dt dr r  to u dr  q rdu udr v rdr 0  t t q q w w d ur v rdr 0 ur v r 2 C  2 1 tf tf q C dt q r C u v r 1 v 1 2 r dr 2 r q r 2 t v C ln r C 4 1 2 r 0 r 2ro Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  32. THANH TRỤ ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG t  = const qv 2  ur r C1 2 to  C1 0 dt r 0; u 0 dr  q r 2  tw tw t v C q r 2 2 v o tf tf 4  C2 tw 4 r ro ; t tw  q r 2 r 2 t v o t 4 w r 0 r 2ro Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  33. THANH TRỤ ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG t  = const dt q r C dt q r v 1 0 v dr 2 r dr 2 to dt  dt  t t t t dr w f w f dr r ro r ro  qvro tw tw tw t f 2 tf tf q r 2 r 2 q r 2 r 2 q r t v o t v o v o t 4 w 4 2 f q r 2 q r q r 2 r 0 t v o v o t v o t o 4 2 f 4 w r 0 r 2ro Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  34. THANH TRỤ ỔN ĐỊNH, CÓ NGUỒN TRONG t  = const dt q r  to v dr 2 q r  q v dt 2 q  t t dr  w w tf tf q r q v o t t w 2 w f r 0 r 2ro Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  35. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH, KHÔNG CÓ NGUỒN TRONG
  36. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH Định nghĩa: là quá trình dẫn nhiệt tương ứng với trường nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian, t = f (x,y,z,). Ví dụ: quá trình đốt nóng hoặc làm nguội một vật là quá trình không ổn định. Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  37. BÀI TOÁN ĐỐT NÓNG – LÀM NGUỘI MỘT VẬT t t  = const  = x =  t o x = 0  = tf tf 4  tw tw Q  = 3 2 Q = f( 1  = 0 -x 0 x  2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  38. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH, KHÔNG CÓ NGUỒN TRONG z dQz+dz t 2t 2t 2t q dQy a v 2 2 2  x y z C dz dQx qv dQx+dx qv 0; t 2t 2t 2t dy x a dQy+dy dx 2 2 2 dQz  x y z y Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  39. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH, KHÔNG NGUỒN TRONG CỦA TẤM PHẲNG  t 2t 2t 2t dt d 2t  = const a a 2 2 2 2  x y z d dx to 2 d d  -x  = x  t t f a 0 0 d dx2 0 4  0;  o to t f w w d 3  t t dx  w  w f x  2  f ,,a, , x,to ,t f 1 o  = 0  x l a f Bi, Fo, ; Bi ; Fo 2 ; l  o l  l 2 Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  40. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH, KHÔNG NGUỒN TRONG CỦA TẤM PHẲNG   = const  x  x f1 Bi, Fo ; 1 o l to  x -x  = x x 0 0 0 f2 Bi, Fo ; 0 0 o l 4 w w Q 3 Q 2f C ; 0  f Bi, Fo 0 o q  Q0 2  a 1 Bi ; Fo ; o  = 0   2 2  x  tw t f ;  x o tm t f ; o to t f Le Anh Son, Power engineering department, Hua
  41. DẪN NHIỆT KHÔNG ỔN ĐỊNH, KHÔNG NGUỒN TRONG CỦA VẬT TRỤ   = const  r ro f1 Bi, Fo o to  r  = r r 0 0 0 f2 Bi, Fo 0 o 4 w w Q 3 Q r 2l C ; 0  f Bi, Fo 0 o o Q q 0 2 r a Bi o ; Fo ; 1 2 o  = 0  ro  t t ;  t t ;  t t r ro w f r o m f o o f 2ro Le Anh Son, Power engineering department, Hua