›
›

Giáo trình Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Phần 1)

pdf 104 trang ngocly 1560
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_cac_qua_trinh_va_thiet_bi_truyen_nhiet_phan_1.pdf

Nội dung text: Giáo trình Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Phần 1)

  1. LỜI TỰA (Vài nét giới thiệu xuất xứ của chƣơng trình và tài liệu) Tài liệu này là một trong các kết quả của Dự án GDKT-DN (Tóm tắt nội dung của Dự án) (Vài nét giới thiệu quá trình hình thành tài liệu và các thành phần tham gia) (Lời cảm ơn các cơ quan liên quan, các đơn vị và cá nhân đã tham gia ) (Giới thiệu tài liệu và thực trạng) TàI liệu này đƣợc thiết kế theo từng mô đun thuộc hệ thống mô đun của một chƣơng trình, để đào tạo hoàn chỉnh nghề ở cấp trình độ và đƣợc dùng làm Giáo trình cho học viên trong các khoá đào tạo, cũng có thể đƣợc sử dụng cho đào tạo ngắn hạn hoặc cho các công nhân kỹ thuật, các nhà quản lý và ngƣời sử dụng nhân lực tham khảo. Đây là tài liệu thử nghiệm sẽ đƣợc hoàn chỉnh để trở thành giáo trình chính thức trong hệ thống dạy nghề. Hà nội, ngày . tháng . năm . Giám đốc Dự án quốc gia 1
  2. MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI TỰA 1 MỤC LỤC 2 GIỚI THIỆU VỀ MÔ ĐUN 4 Sơ đồ quan hệ theo trình tự học nghề 5 CÁC HÌNH THỨC HỌC TẬP CHÍNH TRONG MÔ ĐUN 6 BÀI 6. TRUYỀN NHIỆT 7 6.1.Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt 7 6.2. Dẫn nhiệt. 8 6.3. Nhiệt đối lƣu. 14 6.4. Nhiệt bức xạ. 28 6.5.Truyền nhiệt phức tạp 31 6.6.Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định 36 NHỮNG VÍ DỤ VỀ TRUYỀN NHIỆT 42 BÀI TẬP VỀ TRUYỀN NHIỆT 44 BÀI THÍ NHIỆM TRUYỀN NHIỆT 48 BÀI 7. ĐUN NÓNG – LÀM NGUỘI – NGƢNG TỤ 54 7.1. Nguồn nhiệt và các phƣơng pháp đun nóng 54 7.2. Các phƣơng pháp đun nóng 56 7.3. Làm nguội 67 7.4. Ngƣng tụ 68 7.5. Cấu tạo các thiết bị trao đổi nhiệt 77 7.6. Tháo nƣớc ngƣng. 89 NHỮNG VÍ DỤ TÍNH TOÁN VẾ TRAO ĐỔI NHIỆT 93 BÀI TẬP TRAO ĐỔI NHIỆT 96 BÀI THÍ NGHIỆM ĐUN NÓNG LÀM NGUỘI NGƢNG TỤ 100 BÀI 8. CÔ ĐẶC 105 8.1.Khái niệm chung 105 8.2. Cô đặc một nồi 106 8.3. Cô đặc nhiều nồi. 109 8.4.Cấu tạo các thiết bị cô đặc một nồi 114 2
  3. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÔ ĐẶC 119 BÀI TẬP VỀ CÔ ĐẶC 120 BÀI THÍ NGHIỆM CÔ ĐẶC 123 BÀI 9. KẾT TINH 128 9.1. Khái niệm về kết tinh 128 9.2. Tốc độ kết tinh 130 9.3 Các phƣơng pháp kết tinh 131 9.4. Các thiết bị kết tinh 132 9.5. Tính toán quá trình kết tinh 135 BÀI THÍ NGHIỆM KẾT TINH 138 ĐÁP ÁN CÁC BÀI TẬP 146 ĐÁP ÁN CÁC BÀI TẬP NÂNG CAO 148 PHẦN PHỤ LỤC 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO 160 3
  4. GIỚI THIỆU VỀ MÔ ĐUN Vị trí, ý nghĩa, vai trò mô đun Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và đời sống con ngƣời, nhƣ các quá trình và thiết bị đun nóng, làm nguội, trƣng cất. Còn đối với nghành công nghiệp hóa dầu thì truyền nhiệt không thể thiếu đƣợc Mục tiêu của mô đun - Học xong mô đun này, học sinh cần phải: - Hiểu đƣợc tất cả các quá trình và các thiết bị trong công nghệ hóa học, nhất là các thiết bị trong hóa dầu. - Sử dụng đƣợc các thiết bị thông dụng. - Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng vật liệu các quá trình. - Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị. Mục tiêu thực hiện của mô đun - Học xong mô đun này học viên có khả năng: - Mô tả lý thuyết về các quá trình trong công nghệ hóa học nhƣ: Chuyển khối, thủy lực, truyền nhiệt, cơ học v.v - Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lƣợng trong một số thiết bi phản ứng. - Tính toán kích thƣớc thiết bị. - Sử dụng đƣợc các máy và thiết bị trong ngành công nghệ hoá học. - Thực hiện đƣợc các thí nghiệm của mô đun trong phòng thí nghiệm. Nội dung chính/các bài của mô đun: Bài 6: Khái niệm về truyền nhiệt Bài 7: Đun nóng –Làm nguội –Ngƣng tụ Bài 8: Cô đặc Bài 9: Kết tinh 4
  5. Sơ đồ quan hệ theo trình tự học nghề Ghi chú: Kỹ thuật An toàn và bảo hộ lao động là mô đun cơ bản và bắt buộc. Mọi học viên phải học và đạt kết quả chấp nhận đƣợc đối với các bài kiểm tra đánh giá và thi kết thúc nhƣ đã đặt ra trong chƣơng trình đào tạo. Những học viên qua kiểm tra và thi mà không đạt phải thu xếp cho học lại những phần chƣa đạt ngay và phải đạt điểm chuẩn mới đƣợc phép học tiếp các mô đun/ môn học tiếp theo. Học viên, khi chuyển trƣờng, chuyển ngành,nếu đã học ở một cơ sở đào tạo khác rồi thì phải xuất trình giấy chứng nhận; Trong một số trƣờng hợp có thể vẫn phải qua sát hạch lại. 5
  6. CÁC HÌNH THỨC HỌC TẬP CHÍNH TRONG MÔ ĐUN - Học trên lớp các kiến thức cơ bản về truyền nhiệt, cách sử dụng các phƣơng trình tính toán trong từng trƣờng hợp cụ thể. - Trang bị các kiến thức về cấu tạo các máy và thiết bị, nguyên tắc hoạt động và các sự cố có thể xảy ra. - Tự nghiên cứu tài liệu liên quan đến do giáo viên hƣớng dẫn. - Tham quan tìm hiểu về các thiết bị trong các cơ sở sản xuất YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ ĐUN Về kiến thức - Vận dụng đúng và đầy đủ các kiến thức về truyền nhiệt - Giải thích đƣợc đúng và đầy đủ các phƣơng trình truyền nhiệt, các nguyên tắc hoạt động của các thiết bị truyền nhiệt, các sự cố có thể xảy ra và biện pháp khắc phục. - Trình bày đúng nguyên lý vận hành của các thiết bị truyền nhiệt. - Giải thích nguyên nhân gây sự cố và biện pháp khắc phục Về kỹ năng - Tính toán chính xác các bài toán truyền nhiệt thông dụng. - Môn tà đúng về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các máy móc và thiết bị. Về thái độ - Nghiêm túc trong trong giờ học tập. - Làm các bài tập về nhà đầy đủ. 6
  7. BÀI 6 TRUYỀN NHIỆT Mã bài: QTTB 6 Giới thiệu Trong các quá trình hóa học nhiều quá trình chỉ xảy ra theo chiều hƣớng cho trƣớc ở một nhiệt độ xác định, do đó cần phải cung cấp thêm hoặc rút bớt nhiệt năng lƣợng giữ cho nhiệt độ không đổi giúp cho quá trình tiến hành nhanh hơn tốt hơn. Các quá tình truyền nhiệt thƣờng gặp trong sản xuất nhƣ các quá trình đun nóng, ngƣng tụ, cô đặc, kết tinh. Mục tiêu thực hiện - Học xong bài này học viên có khả năng: - Mô tả các dạng truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt và bức xạ nhiệt). - Tính toán một vài dạng truyền nhiệt. NỘI DUNG CHÍNH 6.1.Khái niệm cơ bản về truyền nhiệt - Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau có nhiệt độ khác nhau. Thƣờng quá trình này chỉ xảy ra trong vật liệu rắn. Các phân tử có nhiệt độ cao hơn chuyển động dao động mạnh, va chạm vào các phần tử lân cận truyền cho chúng phần động năng của mình và cứ nhƣ thế nhiệt năng đƣợc truyền đi khắp mọi nơi trong vật thể. Dẫn nhiệt cũng xảy ra trong môi trƣờng lỏng và khí nếu chất khí và lỏng ở trạng thái đứng yên hay chuyển động dòng. - Nhiệt đối lƣu: Nhiệt đối lƣu là hiện tƣợng truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau hiện tƣợng này xảy ra là do chúng có nhiệt độ khác nhau gây nên khối lƣợng riêng khác nhau, hoặc do tác dụng nhƣ bơm hoặc khuấy trộn. - Nhiệt bức xạ: Bức xạ nhiệt là quá trình nhiệt lƣợng truyền đi dƣới dạng những tia năng lƣợng, nghĩa là nhiệt năng biến thành các tia bức xạ lan truyền trong không gian, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lƣợng này biến thành nhiệt năng. Trong thực tế truyền nhiệt từ vật này sang vật khác không đơn giản theo một phƣơng thức, mà thƣờng xảy ra theo cả hai hoặc ba phƣơng thức đồng thời. Truyền nhiệt nhƣ vậy gọi là truyền nhiệt phức tạp. - Truyền nhiệt ổn định và không ổn định 7
  8. Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi theo không gian nhƣng không thay đổi theo thời gian, quá trình này chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục. Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi theo cả vị trí không gian và thời gian, quá trình này thƣờng xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn, hoặc giai đoạn đầu và giai đoạn cuối của quá trình làm việc liên tục. Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, đó là nhiệt chỉ đƣợc truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. 6.2. Dẫn nhiệt 6.2.1- Khái niệm trƣờng nhiệt độ và gradien nhiệt độ Trƣờng nhiệt độ là tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể hoặc môi trƣờng. Tập hợp tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tại một thời điểm gọi là mặt đẳng nhiệt. Nhiệt độ chỉ thay đổi từ mặt đẳng nhiệt này đến mặt đẳng nhiệt khác. Sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phƣơng pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất và gọi là Gradien nhiệt độ, kí hiệu Gradt. Nhiệt độ tại một điểm bất kỳ của vật thể cũng nhƣ trƣờng nhiệt độ đều phụ thuộc vào vị trí không gian và thời gian. Nếu trƣờng nhiệt độ chỉ biến thiên theo vị trí không gian mà không phụ thuộc vào thời gian gọi là trƣờng nhiệt độ ổn định. Ngƣợc lại, nếu trƣờng nhiệt độ biến đổi theo cả không gian và thơì gian goi là trƣờng nhiệt độ không ổn định. Đối với một vật thể thì mặt đẳng nhiệt là một mặt khép kín và các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau, nên trên một mặt đẳng nhiệt không xảy ra hiện tƣợng dẫn nhiệt mà quá trình dẫn nhiệt chỉ xảy ra giữa các mặt đẳng nhiệt khác nhau của vật thể. Do đó nhiệt độ trong vật thể chỉ biến thiên theo những phƣơng cắt mặt đẳng nhiệt và biến thiên nhanh nhất theo phƣơng pháp tuyến với mặt đẳng nhiệt. Giả sử biến thiên nhiệt độ giữa hai mặt đẳng nhiệt cạnh nhau là Δt , khoảng cách giữa chúng theo phƣơng pháp tuyến là n, thì giới 8
  9. Δt hạn của tỷ số khi Δn 0 gọi là gradien nhiệt độ, biểu diễn dƣới dạng Δn sau: Δt dt lim Gradt Δn 0 Δn dn Vậy gradien nhiệt độ là mức độ cƣờng độ biến thiên nhiệt độ ở một điểm cho trƣớc của vật thể, về trị số bằng độ biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phƣơng pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt (hình.6-1) 6.2.2. Định luật Fourier và độ dẫn nhiệt a. Định luật Fourier Một nguyên tố nhiệt lƣợng dQ đi qua một nguyên tố bề mặt đẳng nhiệt dF trong khoảng thời gian d sẽ tỷ lệ với gradien nhiệt độ, độ lớn bề mặt và thời gian, nghĩa là: dt dQ dF.d [J] (6-1) dn Đối với quá trình dẫn nhiệt ổn định: Q (tT1 tT 2 )F. [J] trong đó: : chiều dày của tƣờng [m] o tT1, tT2: nhiệt độ bề mặt của hai vách tƣờng [ C] : thời gian dẫn nhiệt [s] Dấu ―-― chỉ nhiệt dẫn theo chiều giảm nhiệt độ. λ : hệ số dẫn nhiệt hay gọi là độ dẫn nhiệt [W/m.độ] Qδ [W/m độ] F(t t ) 1 2 Vậy hệ số dẫn nhiệt là lƣợng nhiệt dẫn qua 1m2 bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều dài theo phƣơng pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt là 1 độ. b. Độ dẫn nhiệt của các chất Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất và là một hằng số vật lý, trị số của nó phụ thuộc vào thành phần cấu tạo vật chất, nhƣ khối lƣợng riêng, hàm ẩm, áp suất, và nhiệt độ của vật thể, và đƣợc xác định bằng thực nghiệm. 9
  10. Độ dẫn nhiệt của vật rắn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn nhiệt cũng tăng. Đối với vật thể rắn đồng nhất về vật chất, thì quan hệ giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ gần nhƣ theo một đƣờng thẳng và đƣợc biểu diễn gần đúng bằng phƣơng trình sau: λ = λ o(1+bt) (6-2) trong đó: -độ dẫn nhiệt của vật thể ở nhiệt độ t oC o o -độ dẫn nhiệt của vật thể ở 0 C b -hệ số nhiệt độ, đối với vật rắn nó là một số dƣơng và thƣờng đƣợc xác định bằng thực nghiệm. t -nhiệt độ làm việc, oC Đối với vật liệu rắn độ dẫn nhiệt khác nhau nhiều, sau đây nêu vài trị số dẫn nhiệt của kim loại thƣờng dùng. Bảng:6-1: Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu từ 0÷1000C TT Tên chất , [W/m độ] TT Tên chất , [W/m độ] 01 Amiăng vải 0,279 07 Nhôm 211 02 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 Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí rất nhỏ so với chất rắn, ở nhiệt độ bình thƣờng độ dẫn nhiệt của nƣớc bằng 0.59[W/m.độ], không khí lặng gió bằng 0.02[W/m.độ]. Khác với vật thể rắn, hầu hết chất lỏng có độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng, chỉ trừ nƣớc và glyxêrin thì độ dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng. Đối với chất lỏng, độ dẫn nhiệt có thể tính theo công thức gần đúng sau: γ λ =ε cp γ 3 [W/m.độ ] (6-3) M trong đó: cp-nhiệt dung riêng của chất lỏng [J/kg.độ ] 3 γ -trọng lƣợng riêng của chất lỏng [N/m ] M-phân tử gam của chất lỏng [g/mol] hoặc [kg/kmol] ε -hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, có giá trị cụ thể nhƣ sau: 10
  11. - đối với chất lỏng không kết hợp (benzen, toloen và hydrocacbon khác) thì ε =1,55.10-4, - đối với các chất kết hợp(nhƣ rƣợu, nƣớc) thì ε =1,29.10-4 6.2.3. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng phẳng a. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng phẳng một lớp Trong quá trình dẫn nhiệt ổn định, nhiệt lƣợng nhiệt đi vào trong thành tƣờng bằng lƣợng nhiệt đi ra khỏi thành tƣờng và không đổi theo thời gian. Trƣờng hợp dẫn nhiệt qua tƣờng phẳng một lớp vật liệu đồng nhất có chiều dày ,diện tích bề mặt truyền nhiệt F, độ dẫn nhiệt , và nhiệt độ của hai bề mặt của tƣờng tT1,tT2 Giả sử tƣờng có chiều dài và chiều rộng lớn hơn nhiều so với chiều dày. Đặt tƣờng vào hệ trục toạ độ XOY, trục x vuông góc với tƣờng và nhiệt độ chỉ biến thiên theo phƣơng x, và tT1 > tT2 Theo định luật Fourier về dẫn nhiệt ta có phƣơng trình dẫn nhiệt tổng quát sau. Q (tT1 tT 2 )F. (6-4) b. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng phẳng nhiều lớp Nếu tƣờng có n lớp khác nhau về độ dẫn nhiệt và chiều dày. Giả sử các lớp có chiều dày theo thứ tự là 1, 2, 3, n. và độ dẫn nhiệt tƣơng ứng là 1, 2, 3, n. Nhiệt độ bề mặt ngoài của tƣờng là tT1 và tT2 (tT1 > tT2) và trên bề mặt tiếp xúc giữa các lớp tƣờng là ta, tb, tc .tn. Quá trình dẫn nhiệt ở trạng thái ổn định, do vậy lƣợng nhiệt dẫn qua mỗi bức tƣờng đều 11
  12. nhƣ nhau và có thể thành lập phƣơng trình nhƣ sau: Q1= Q2 = Q3= = Qn =Q λ1 -Lớp 1 Q= F(tT1 - ta) [ J] δ1 δ1 hoặc Q =F(tT1 - ta) (a) λ1 λ 2 -Lớp 2 Q= F( ta- tb) [ J] δ2 δ2 hoặc Q = F(ta-tb) (b) λ 2 λ3 -Lớp 3 Q= F( tb -tc) [ J] δ3 δ3 hoặc Q = F(tb-tc) (c) λ3 λ n Lớp n Q= F( tn -tT2) [ J] δ n δ n hoặc Q = F(tn–tT2) (n) λ n Cộng các phƣơng trình (a) (b) (n) trên lại ta có: λ n Q( + + + + )=(tT1-tT2)F δ n (t t )F.τ Q T1 T2 i n (6-5) δi i 1 λi Trong đó: i- số thứ tự lớp tƣờng n- số lớp tƣờng 6.1.4. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng ống a. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng ống một lớp Ta xét tƣờng hình ống một lớp hình (6-4) có chiều dài L, bán kính trong r1, bán kính ngoài r2 độ dẫn nhiệt λ . Bên trong tƣờng có nguồn nhiệt. Vì dẫn nhiệt ổn định nên nhiệt độ mặt trong tƣờng tT1 và tT2 là không đổi theo thời gian. Do tƣờng ống lên bề mặt dẫn nhiệt của nó thay đổi từ trong ra ngoài, nên ta không thể áp dụng phƣơng trình dẫn nhiệt của tƣờng phẳng cho tƣờng ống đƣợc. Vậy để cho bề mặt dẫn nhiệt thay đổi không đáng kể. Ta xét một lớp 12
  13. tƣờng mỏng có bán kính r và chiều dày dr theo định luật Fourier, lƣợng nhiệt dẫn qua lớp tƣờng này nhƣ sau: dt Q= - 2 r L dr Trong đó: L-chiều dài tƣờng [m] r1-bán kính trong tƣờng [m] r2-bán kính ngoài tƣờng [m] λ -độ dẫn nhiệt của vật liệu [W/m.độ] -thời gian [s] (phƣơng trình có dấu ―-― vì dẫn nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ) Từ phƣơng trình trên suy ra: dr 2 L = - dt r Q Lấy tích phân giới hạn từ r1 đến r2 và từ tT1 đến tT2 ta có: r2 dr tT2 = - dt dt r1 tT1 r2 λ2πL ln = - (tT2 – tT1) r1 Q 2 L (t t ) Q T1 T 2 1 r [ J] (6-6) 2,3lg 2 r1 Đây là phƣơng trình dẫn nhiệt qua tƣờng ống một lớp trong trạng thái nhiệt ổn định b. Dẫn nhiệt ổn định qua tƣờng ống nhiều lớp Đối với tƣờng ống nhiều lớp nhƣ hình vẽ(6-5) thì cách chứng minh để rút ra phƣơng trình cũng tƣơng tự trong trƣờng hợp tƣờng phẳng nhiều lớp, ta lần lƣợt viết phƣơng trình cho từng lớp tƣờng và cộng các phƣơng trình đó lại ta có phƣơng trình dẫn nhiệt qua tƣờng ống nhiều lớp tổng quát nhƣ sau: 13
  14. 2 L (t t ) Q T1 T 2 [ J] (6-7) i n 1 r 2,3lg i 1 i 1 i ri Trong đó: i – số thứ tự lớp tƣờng n – số lớp tƣờng r Nếu tỷ số 2 2 thì ta có thể tính theo công thức của tƣờng phẳng. r1 6.3. Nhiệt đối lƣu. 6.3.1. Khái niệm Quá trình truyền nhiệt trong môi trƣờng lỏng và khí chủ yếu bằng dòng đối lƣu. Quá trình vận chuyển nhiệt từ chất lỏng hay chất khí tới bề mặt rắn hoặc ngƣợc lại gọi là quá trình cấp nhiệt. Vậy cấp nhiệt là lƣợng nhiệt trao đổi chủ yếu bằng đối lƣu. Dòng đối lƣu đƣợc phân ra hai dạng đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức. Đối lƣu tự nhiên là sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí do sự chênh lệch khối lƣợng riêng của các phần tử chất lỏng hoặc chất khí, các phân tử có nhiệt độ cao sẽ có khối lƣơng riêng nhỏ, có xu hƣớng chuyển đổng lên, còn những phân tử có nhiệt độ thấp sẽ có khối lƣợng riêng lớn có xu hƣớng chuyển động xuống và tạo lên dòng đối lƣu tự nhiên Ta thƣờng dựa vào chênh lệch nhiệt độ giữa các phần tử nóng và nguội để xác định sự chuyển động của dòng đối lƣu tự nhiên. Đối lƣu cƣỡng bức là sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí do có tác dụng cơ học bên ngoài nhƣ khuấy trộn hoặc bơm. Trong đối lƣu cƣỡng bức, quá trình trao đổi nhiệt mãnh liệt hơn đối lƣu tự nhiên. 6.3.2. Định luật cấp nhiệt Truyền nhiệt bằng cấp nhiệt rất phức tạp, nên việc tính toán khó chính xác. Để đơn giản việc tính toán, ngƣời ta dựa vào định luật NeWton, đó là định luật cơ bản về cấp nhiệt. - Nội dung: lƣợng nhiệt dQ do một nguyên tố bề mặt dF của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho môi trƣờng xung quanh trong khoảng thời gian d tỷ lệ với hiêu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trƣờng với dF và d , nghĩa là: dQ = (tT -tm)dFd [J] (6-8) 14
  15. o Trong đó: tT –nhiệt độ bề mặt của vật thể [ C]; tm –nhiệt độ của môi trƣờng xung quanh [oC]; - hệ số cấp nhiệt [W/m2.độ]. -thƣờng đƣợc xác định bằng thực nghiệm. Nếu quá trình cấp nhiệt ổn định thì phƣơng trình cấp nhiệt tổng quát đƣợc viết dƣới dạng nhƣ sau: Q = (tT -tm)F [J] (6-9) Khi F = 1m2, =1s, tT -tm =1 oC, thì ta có Q = Vậy hệ số cấp nhiệt là lƣợng nhiệt do một đơn vị diện tích bề mặt tƣờng cấp cho môi trƣờng xung quanh (hay ngƣợc lại nhận đƣợc từ môi trƣờng xung quanh) trong trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nhiệt độ là một độ. Dựa vào đó ta tìm đƣợc thứ nguyên của α; Q W W , hoặc (6-10) 2 o 2 Fτ (tT t m ) m . C m .K Hệ số cấp nhiệt là một đại lƣợng rất phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tính chất của từng chất lỏng hay khí đó là độ nhớt, khối lƣợng riêng, đặc tính chuyển động, nhiệt độ, nhiệt dung riêng vv 6.3.3. Đồng dạng nhiệt và phƣơng trình chuẩn số về cấp nhiệt. Trong quá trình truyền nhiệt bằng đối lƣu nó đƣợc đặc trƣng bằng một hệ phƣơng trình, gồm phƣơng trình dòng liên tục, phƣơng trình vi phân cấp nhiệt Fourier-Kirchkoff, do vậy nó rất phức tạp. Vậy để giải các phƣơng trình đó ta phải dựa vào thuyết đồng dạng. Dựa vào các phƣơng trình vi phân về cấp nhiệt và thuyết đồng dạng ta rút ra các chuẩn số đồng dạng, do đó ta rút ra đƣợc các phƣơng trình chuẩn số cho quá trình cấp nhiệt. -Chuẩn số Nusselt Chuẩn số Nusselt đặc trƣng cho quá trình cấp nhiệt ở bề mặt phân giới. Trong quá trình truyền nhiệt ổn định thì lƣợng nhiệt truyền đi do dẫn nhiệt phải bằng lƣợng nhiệt truyền đi do cấp nhiệt. .l Nu (6-11) Trong đó: l -là kích thƣớc đặc trƣng. .l là một đại lƣợng không thứ nguyên gọi là chuẩn số Nusselt 15
  16. Chuẩn số Prandtl Chuẩn số Prandtl đặc trƣng cho tính chất vật lý của môi trƣờng. Cp Pr (6-12) Trong đó: Cp -nhiệt dung riêng của môi trƣờng [J/kg.độ]. - độ nhớt động lực, [kg.s/m2], (1kg.s/m2= 9,81 N.s/m2). Chuẩn số Grashoff (Gr) Chuẩn số Grashoff đặc trƣng cho truyền nhiệt khi đối lƣu tự nhiên g.l3 (6-13) Gr 2 t Trong đó: : độ nhớt động học của chất lỏng [m2/s]. t: độ chênh lệch nhiệt độ [K] hoặc [oC]. : hệ số giản nở thể tích [1/K] CÁC PHƢƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Để nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt đối lƣu, ngƣời ta đã tiền hành một số lƣợng lớn thí nghiệm. Sau khi xử lý các số liệu thí nghiệm bằng cách áp dụng lý thuyết đồng dạng, ngƣời ta tìm đƣợc các phƣơng trình và công thức tính toán về nhiệt đối lƣu. Trong các công thức chỉ dẫn dƣới đây, ta lấy các ký hiệu nhƣ sau: w - tốc độ, m/s. - trọng lƣợng riêng, N/m3. cp - nhiệt lƣợng riêng ở áp suất không đổi, [J/kg.độ]. - hệ số dẫn nhiệt, J/m.h.độ. g - gia tốc trọng lƣợng, m/s2. - khối lƣợng riêng, kg.s2/m4 (1kg.s2/m4;=9,81 kg/m3). - độ nhớt động lực, kg.s/m2 (1kg.s/m2= 9,81 N.s/m2). - Hệ số cấp nhiệt khi lƣu thế chảy xoáy. Cƣỡng bức trong ống thẳng tiết diện tròn. Dạng tổng quát của phƣơng trình cấp nhiệt khi lƣu thể chảy xoáy cƣỡng bức là biểu thức: 16
  17. l Nu f Re,Pr, (6-14) l0 Bằng cách chỉnh lý những số liệu thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã tìm đƣợc các công thức tính toán khác nhau. Công thức sau đây cho kết quả chính xác nhất và đƣợc áp dụng không những đối với chất lỏng giọt mà còn đối với các chất khí. Nu = 0,023Re0,8Pr0,4 (6-15) Từ đó suy ra: 0,023 Re0.8Pr0.4, [J/m2h.độ] (6-16) d Công thức (6-16) đƣợc dùng ứng với Re > 10.000, chuẩn Pr = 0,7 2500, nhiệt độ của tƣờng thấp hơn nhiệt độ chất lỏng sôi, tỷ số giữa chiều dài của ống đối l với đƣờng kính của nó > 50. d Đối với các ống ngắn trị số trung bình của hệ số cấp nhiệt tìm đƣợc lớn l hơn một ít: khi > 30 40 sự tăng này không quá 2 7%, và chỉ đối với d những ống rất ngắn thì nó mới có ý nghĩa quan trọng. Trị số các hằng số vật lý đƣợc lấy theo nhiệt độ trung bình lô-ga-rit của chất lỏng. - Hệ số cấp nhiệt ở chế độ chuyển động quá độ Trong khu vực trị số của chuẩn Re = 2300 10000 nghĩa là, trong chế độ quá độ, hệ số cấp nhiệt phụ thuộc nhiều vào chuẩn số Re hơn là trong chuyển động xoáy ổn định của chất lỏng, ngƣời ta vẫn chƣa thu thập đƣợc đầy đủ các số liệu thực nghiệm để rút ra các quan hệ về số lƣợng. Để tính gần đúng nhất trị số ta có thể tính theo công thức (6-16) và có nhân thêm một hệ số điều chỉnh f ; trị số của hệ số này là f 1 - 6.103. Re-1.8 (6-17) -Hệ số cấp nhiệt khi lƣu thể chuyển động dòng cƣỡng bức trong ống thẳng có tiết diện tròn Trong trƣờng hợp đã cho nên chú ý đến sự phụ thuộc của sự cấp nhiệt theo đối lƣu tự nhiên của chất lỏng cũng nhƣ phụ thuộc theo phƣơng của nhiệt lƣu. Đối với ống nằm ngang, khi (Re. Pr)> 1800 thì các kết quả chính xác nhất đƣợc tính theo công thức: 17
  18. 0.2 0.1 Nu = 0,74 (Re. Pr) (Gr. Pr) (6-18) Và 0,74 (Re. Pr) 0.2(Gr. Pr)0.1 (6-19) d Để tính chuẩn số Gr, ta lấy t bằng hiệu số giữa nhiệt độ của chất lỏng và tƣờng. Trị số các hằng số lý học lấy theo nhiệt độ trung bình số học của t t L chất lỏng T đƣờng kính d của ống đƣợc xác định bằng kích thƣớc dài. 2 Đối với những ống ngắn, khi l/d<50 thì trị số hệ số cấp nhiệt sẽ lớn hơn trị số tìm đƣợc theo công thức (6-18). Khi l/d = 40, nó lớn hơn 5%, khi l/d = 30 thì lớn hơn 13% và càng tăng nhiều tỷ số l/d tiếp tục giảm. Đối với ống thẳng đứng, giá trị của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào tƣơng quan giữa hƣớng của dòng cƣỡng bức và chuyển động tự do của chất lỏng. Khi hƣớng của chúng trùng nhau, nghĩa là trong trƣờng hợp chất lỏng chuyển động từ dƣới lên trên khi đun nóng, thì hệ số cấp nhiệt có thể lấy bằng 0,85 , trong đó là hệ số cấp nhiệt đƣợc tính theo công thức (6-19), khi hƣớng chuyển động không trùng nhau, hệ số cấp nhiệt lấy bằng 1,15 . - Hệ số cấp nhiệt trong ống hình trụ Chùm ống hình trụ: Trong trƣờng hợp chất tải nhiệt chuyển động dọc trong khoảng không gian ở giữa các ống, hệ số cấp nhiệt có thể xác định theo công thức gần đúng. 0.6 0,6 0,33 Nu = 1,16Dtđ Re Pr (6-20) Hay là 0.6 0,6 0,33 = 1,16 16Dtd Re Pr (6-21) dn Trong đó: Dtđ đƣờng kính tƣơng đƣơng của khoảng không gian ở giữa các ống, tính bằng m, tƣơng ứng với toàn bộ chu vi đƣợc thấm ƣớt. w - tốc độ chuyển động của chất lỏng trong tiết diện tự do, m/s Chùm ống hình trụ có tấm chắn ngang. Các tấm chắn ngang trong khoảng không gian ở giữa các ống có thể là hình viên phân hay là dạng hình đĩa và vành khăn nằm xen kẽ nhau. Trong trƣờng hợp này hệ số cấp nhiệt xác định theo công thức 0.14 0.6 0.6 0.33 Nu = CDtđ Re Pr (6-22) t 18
  19. Hay là 0.14 0.6 06 Re 0.33 = CDtđ dn Pr (6-23) t trong đó C = 1,72 đối với tấm chăn hình viên phân và C = 2,08 đối với tấm chăn hình vành khăn: w - Tốc độ chất lỏng tính bằng m/s đƣợc xác định theo tiết diện có hiệu quả có thể xác định theo công thức f f f (6-24) 1 2 Trong đó: f1: Bề mặt tiết diện tự do để chất lỏng chảy vuông góc với chùm ống m2; f2 - Bề mặt tiết diện tự do ở lỗ trống của tấm ngăn (bề mặt của viên phân hay là chỗ hở của vành khăn) trừ cho tổng số diện tích của các ống đi qua đó. Đối với các tấm ngăn hình viên phân (hình 7-17)thì d f hD 1 n (6-25) 1 t Trong đó h- khoảng cách giữa các tấm chắn, t- bƣớc cửa các ống, - Hệ số cấp nhiệt ở trong ống uốn cong. Khi chất lỏng chảy trong ống uốn cong, ví dụ trong ống xoắn, dƣới tác dụng của lực ly tâm độ xoáy của dòng sẽ tăng lên, và trong tiết diện ngang của ống này luôn luôn xuất hiện thêm sự tuần hoàn thứ hai của chất lỏng. Hệ số cấp nhiệt đối với ống xoắn có thể xác định gần đúng theo đẳng thức d 1 1,77 (6-26) R R Trong đó: - Hệ số cấp nhiệt đối với ống thẳng, W/m2.độ d - Đƣờng kính của ống, m; R - Bán kính cong của ống xoắn, m. Thƣờng sự tăng trị số do độ uốn cong của ống không lớn lắm. - Hệ số cấp nhiệt đối với chất lỏng đƣợc khuấy bằng máy khuấy cơ khí. 19
  20. Nếu chất lỏng chuyển động nhờ máy khuấy cơ khí, thì số hế số cấp nhiệt phụ thuộc vào hình dạng của bề mặt đun nóng, kích thƣớc cách khuấy và số vòng quay của nó. Vì khi khuấy độ xoáy của chất lỏng chuyển động sẽ lớn, nên phƣơng trình cấp nhiệt dƣới dạng tổng quát sẽ là. m n Nu =C Re pr (6-27) Đối với các quá trình khuấy trộn chất lỏng, chuẩn số Rây-non sẽ có một dạng khác nào đó, khi thay tốc độ bằng số vòng quay của máy khuấy. Nhƣ ta đã biết, tốc độ và số vòng quay liên hệ với nhau dƣới dạng. = dn Trong đó: - Tốc độ vòng của cách khuấy, m/s d - Đƣờng kính của cánh khuấy, m; n - Số vòng quay vòng/s Trong sự biến đổi này, chuẩn số Re có dạng: d d 2n ReM (6-28) Trong đó hằng số , đƣợc tính vào hệ số tỷ lệ C của phƣơng trình cấp nhiệt (6-28). nếu sự trao đổi nhiệt của chất lỏng khuấy trộn tiến hành qua vỏ bọc ngoài, thì có thể lấy. 0,14 2 1 N 0,36.Re P (6-29) u M 3 r3 t hay là 0,14 2 1 0,36 Re P3 [J/m2h.độ] (6-30) M 3 R D t Trong đó ngoài những đại lƣợng đã biết; ta lấy: D - đƣờng kính của thiết bị,m; - độ nhớt của chất lỏng tính bằng [kG.s/m2] lấy ở nhiệt độ trung bình t t của tƣờng và chất lỏng t = t L tb 2 2 T - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ tƣờng(vỏ bọc ngoài) kG.s/m . Nếu sự trao đổi nhiệt của chất lỏng có khuấy tiến hành qua ống xoắn, thì phƣơng trình cấp nhiệt có dạng: Hay là 20
  21. 1 0,14 0,62 3 2 0,87 Re M Pr [J/m h.độ] (6-31) D T trong đó tất cả các ký hiệu cũng lấy nhƣ trong phƣơng trình(6-29) Giá trị các hằng số vật lý , cp và trong các phƣơng trình (6-29) và (6- 30) lấy ở nhiệt độ trung binh số học của chất lỏng. Các công thức (6-28) và (6-30) dùng cho các thiết bị có đƣờng kính đến 300 mm; đối với những thiết bị có đƣờng kính lớn các công thức cho trên có kết quả không đúng. - Hệ số cấp nhiệt khi dòng chất lỏng chảy qua ngang cƣỡng bức đối với ống đơn chiếc. Đối với chất lỏng giọt hệ số cấp nhiệt có thể xác định theo phƣơng trình: n 0.4 Nu C Re Pr (6-32) hay là n 0,4 C Re Pr (6-33) dn Trong đó C và n - hệ số, phụ thuộc vào giá trị của chuẩn số Re Bảng 6-2 Bảng 6-2. Giá trị của các hệ số C và n Các hệ số Chuẩn số Re C n 5 - 80 0,93 0,40 80 -5000 0,715 (0,625) 0,46 5000 0,226 (0,197) 0,60 Các hằng số vật lý trong công thức (6-33) xác định theo nhiệt độ trung binh của chất lỏng; ngƣời ta lấy đƣờng kính ngoài dn của ống thay cho kích thƣớc dài đã xác định. Đối với các khí có nguyên tử đồng nhất, chuẩn số Pr là đại lƣợng không đổi và trong trƣờng hợp này công thức (6-32) có thể đơn giảm bằng cách bỏ thừa số Pr0,4. giá trị của các hệ số n và C đối với các khí đã nêu trong bảng 6- 2 (trong dấu ngoặc). - Hệ số cấp nhiệt khi dòng chất lỏng chảy ngang cƣỡng bức đối với một ống chùm Sự cấp nhiệt khi dòng chất lỏng chảy ngang làm ƣớt cả chùm ống, có thể xác định theo công thức: Nu = C .RenPr0,4 (6 -34) 21
  22. Trong đó trị số và n phụ thuộc vào vị trí của các ống trong chùm, và số thứ tự của dãy ống theo chiều sâu của chùm. Trị số của hệ số C phụ thuộc theo tỷ số giữa bƣớc của ống và đƣờng kính ống S1/d. Khi S1/d =1,2÷3, C=1+0,1S1/d và khi S1/d>3, C=1,3. Công thức (6-34) dùng cho ống tròn trong giới hạn trị số Re=5000÷7000 và S1/d = S2/d = 1,2÷5. Trị số các hằng số vật lý trong công thức (6- 34) lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng, còn tốc độ của dòng thì lấy ở tiết diện nhỏ nhất trong chùm. Nhƣng cũng cần thấy rằng, đối với chất lỏng giọt, trƣờng hợp trao đổi nhiệt này hầu nhƣ chƣa đƣợc nghiên cứu, và do đó công thức (6 -34) chỉ có thể dùng để tính toán sơ bộ. -. Hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng chuyển động tự do Khi chất lỏng chuyển động tự do, nghĩa là chuyển động gây ra bởi khối lƣợng riêng của các thành phần nóng và lạnh khác nhau của nó, ngƣời ta dung phƣơng trình chuẩ0n số: l ln Nu f Gr,Pr, l0 l0 Nhƣng kết quả nghiên cứu về các chất lỏng có thấm ƣớt tƣờng mà chuẩn số Pr 0,7 đã đƣợc M.A. Mi-khê-ép tổng hợp lại, trong đó ông đã thiết lập ra quan hệ sau: Nu=C(Gr.Pr)n (6 -35) Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng chất lỏng chuyển động tự do có ba chế độ: dòng, quá độ và xoáy. Sự ƣu việt hơn của chế độ này hay chế độ khác phụ thuộc vào t - hiệu số nhiệt độ của bề mặt trao đổi nhiệt và chất lỏng, đồng thời cũng phụ thuộc vào hình dạng và kích thƣớc của bề mặt. Giá trị của hệ số C và n thay đổi theo chế độ chuyển động tự do của chất lỏng đƣợc trình bày trong bảng 6-3. Bảng 6-3. Giá trị của các hệ số C và n Chế độ chuyển động Trị số của phức hệ Các hệ số tự do của chất lỏng Gr.Pr C n Chảy dòng 1.10-3÷5.102 1,18 1/8 Quá độ 5.102÷2.107 0,54 ¼ Xoáy 2.107÷1.1013 0,135 1/3 22
  23. Trong phƣơng trình (6-35) chúng ta biểu thị các chuẩn số Nu, Gr và Pr bằng các nhóm trị số của chúng và ghi trị số tƣơng ứng của các hệ số C và n. khi đó đối với ống và tấm thẳng đứng, chúng ta tìm đƣợc hệ số cấp nhiệt biểu thị nhƣ sau: Khi Gr. Pr = 5.102 2.107 Hay là 1 3 1 t 4 13.1 4 tb (6-36) 2 l Khi Gr. Pr > 2.107 hay là 2 1 cp. t 3 9,48( )3 (6-37) trong đó: 1 - hệ số dãn nở thể tích 0 C t - hiệu số nhiệt độ giữa tƣờng và chất lỏng 0C l - kích thƣớc chiều dài xác định [m]. Trị số các hằng số vật lý trong phƣơng trình (6-36) và (6-37) lấy theo nhiệt độ trung bình giữa tƣờng và chất lỏng ttb = 0,5 (tT + tm). khi Gr.Pr >2.107 là quá trình trao đổi nhiệt tự làm mẫu, nghĩa là quá trình không phụ thuộc vào kích thƣớc hình học của bề mặt trao đổi nhiệt. Trị số các hằng số vật lý trong phƣơng trình (6-36) và (6-37) lấy theo nhiệt trung bình giữa tƣờng và chất lỏng tcp = (tCT + tЖ). Khi Gr.Pr > 2.107 là quá trình trao đổi nhiệt tự làm mẫu, nghĩa là quà trình không phụ thuộc vào kích thƣớc hình học của bề mặt trao đổi nhiệt. Các thông số nêu trên là ứng với sự cấp nhiệt trong khoảng không gian vô hạn. Trong những trƣờng hợp đối lƣu tự nhiên trong khoảng không gian hẹp và hữu hạn (trong các rãnh, các vỏ bọc ngoài v.v ) quá trình cấp nhiệt trở nên phức tạp thêm, vì độ lớn và hình dạng của khoảng không gian có ảnh hƣởng đến quá trình. - Hệ số cấp nhiệt khi dòng khí chuyển động cƣỡng bức dọc theo tƣờng phẳng. Nếu các tƣờng dẫn nhiệt gồm có những mặt phẳng đặt gần nhau, ngay cả khi tạo thành những rãnh kín, thì quá trình trao đổi nhiệt có thể xem nhƣ là sự trao đổi nhiệt trong ống tiết diện hình chữ nhật. 23
  24. Nếu lớp khí quá lớn chạy dọc theo tƣờng phẳng, thì các công thức trao đổi nhiệt trong ống đã nghiên cứu ở trên không thể ứng dụng đƣợc mà phải dùng các công thức cấp nhiệt riêng cho tƣờng phẳng. Hệ số cấp nhiệt trong trƣờng hợp này có thể tính gần đúng theo quan hệ sau: Nu=0,0356Re0,8Pr0,4 (6 - 38) Từ đó: 0,0356 R 0,8P 0,4 (6 - 39) l e r l Trong đó l - chiều dài của tƣờng tính bằng m, và Re Các hằng số lý học trong phƣơng trình (6 - 39) lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng. - Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngƣng tụ. Hơi đƣợc ngƣng tụ có thể phủ lên bề mặt của tƣờng lạnh ở dạng những giọt hay là dạng màng. Sự ngƣng tụ theo dạng thứ nhất gọi là ngƣng tụ thành giọt, còn dạng thứ hai là ngƣng tụ thành màng. Sự ngƣng tụ thành giọt thƣờng xảy ra trong trƣờng hợp bề mặt làm nguội không thấm ƣớt bởi nƣớc ngƣng tụ, ta thấy hiện tƣợng này khi hơi ngƣng tụ với hỗn hợp dầu, dầu hoả, mỡ trên một bể mặt rất nhẵn hay là khi ngƣng tụ hơi sạch trên bề mặt nhẵn có bao phủ một lớp mỏng các chất này. Sự ngƣng tụ thành màng xảy ra khi hơi là đồng nhất và bề mặt làm nguội sạch, bề mặt này hoàn toàn thấm ƣớt đƣợc chất lỏng. Hệ số cấp nhiệt khi ngƣng tụ thành màng có trị số nhỏ hơn nhiều so với khi ngƣng tụ thành giọt. Trên thực tế cả hai dạng ngƣng tụ này thƣờng xảy ra đồng thời. Lý thuyết của sự ngƣng tụ thành màng nhƣ sau: Khi hơi ngƣng tụ nhanh ở trên tƣờng thẳng đứng, do hiệu số nhiệt độ giữa hơi tm và của tƣờng tT nó tạo thành một màng chất lỏng dày, dƣới tác dụng của trọng lực, theo hƣớng song song với tƣờng, nƣớc ngƣng tụ chảy xuống dƣới, khi đó chiều dày của lớp chất lỏng dần dày lên do lƣợng nƣớc ngƣng tụ mới bổ sung vào. Tốc độ chảy trung bình của nƣớc ngƣng tụ phụ thuộc vào trọng lƣợng riêng ( ) và ma sát nội hay là độ nhớt của nó ( ), Nhiệt độ một phía của màng chất lỏng lấy theo tT còn phía kia lấy theo nhiệt độ của hơi tm. 24
  25. Nếu sự chuyển động của màng là chuyển động dòng. Thì lƣợng nhiệt truyền qua nó có thể xác định theo phƣơng trình dẫn nhiệt: tm t Q T F [J] (6-40) trong đó - chiều dày của màng. Lƣợng nhiệt này cũng có thể biễu diễn theo phƣơng trình cấp nhiệt tổng quát. Q tm tT F [J] (6-41) So sánh 2 phƣơng trình trên, ta đƣợc Nhƣ vậy, hệ số cấp nhiệt hoàn toàn phụ thuộc vào chiều dày của lớp nƣớc ngƣng tụ chảy trên tƣờng và lớp này càng dày thì sự cấp nhiệt sẽ càng kém. Sau khi phân tích điều kiện nhiệt động và thuỷ động học của sự tạo thành màng nƣớc ngƣng tụ, Nu-xen đã tính đƣợc chiều dày của nó và sau đó lấy tính phân lƣợng nhiệt đi qua màng có chiều cao đã cho, và xác định đƣợc trị số lý thuyết của hệ số cấp nhiệt từ hơi ngƣng tụ trên tƣờng thẳng đứng. Trong đó. ông không tính đến chuyển động xoáy của màng và các thông số vật lý coi nhƣ không đổi. Các trị số của hệ số cấp nhiệt tính theo các công thức tìm đƣợc trên cơ sở lý thuyết đồng dạng đối với sự trao đổi nhiệt khi hơi ngƣng tụ, rất phù hợp với các số liệu thực nghiệm. Trong trƣờng hợp đã cho, có sự thay đổi trạng thái ở trên bề mặt chuyển tiếp từ pha hơi đến pha lỏng thì phải tính đến chuẩn số ngƣng tụ. r K = C t Trong đó: r - ẩn nhệt ngƣng tụ [ J/kg] C- nhiệt dung riêng, [J/kg.độ] chuẩn số ngƣng tụ K là trị số xác định cho tất cả các trƣờng hợp trao đổi nhiệt có liên hệ với sự thay đổi trạng thái liên hợp của vật chất. Mối liên hệ tổng quát giữa các chuẩn số đồng dạng của sự trao đổi nhiệt hơi ngƣng tụ đƣợc thể hiện ở dạng sau: Nu = f(Ga.Pr,K) 25
  26. Theo các số liệu thí nghiệm của S.S Ku-ta-te-lát-de, khi màng nƣớc ngƣng tụ chảy dòng (Re 180, thì ở phần dƣới của ống, màng nƣớc ngƣng tụ chuyển động rồi và hệ số cấp nhiệt bằng 2 0,107 pr3 (6-43) Tìm trị số Re theo phƣơng trình t tT h Re = m (6-44) 3600 r . . g Để tính trị số của hệ số cấp nhiệt khi hơi ngƣng tụ trên ống nằm ngang ta dùng công thức (6-39), nhƣng thay hệ số 1,15 bằng hệ số 0,725 và về kích thƣớc hình học xác định thì ta thay chiều cao của tƣờng là h bằng đƣờng kính ngoài của ống dn. Khi hơi ngƣng tụ trên chùm ống nằm ngang, trị số d trong công thức, đƣợc thay bằng tổng số đƣờng kính ngoài của các ống xếp cái này trên cái kia: nd = n m Trong đó, n - toàn bố số ống, còn m - số dãy ống theo chiều thẳng đứng. Khi hơi nƣớc bão hòa có chứa không khí và khí, hệ số cấp nhiệt bị giảm nhiều, vì không khí tập trung ở trên tƣờng tạo thành lớp đệm không khí, qua lớp đệm này các phân tử hơi chỉ chuyển động bằng khuếch tán. - Hệ số cấp nhiệt khi chất lỏng sôi Sự cấp nhiệt khi chất lỏng sôi là một quá trình rất phức tạp. Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặc trƣng của sự tiến hành quá trình này và cƣờng độ của nó phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ của bề mặt tƣờng cấp nhiệt tT, và nhiệt 26
  27. độ của hơi tạo thành khí sôi ts. Hiệu số nhiệt độ này t = tT - ts càng lớn, thì nhiệt tải riêng của bề mặt đun nóng càng lớn. Q q = t [J/m2h] (6-45) F Khi nhiệt tải riêng nhỏ q 5.103 J/m. giờ sự tạo thành hơi trên bề mặt đun nóng chỉ xảy ra ở từng điểm riêng của nó ( chỗ lồi nhỏ của bề mặt gồ ghề, đóng cặn bẩn v v ) những điểm đó gọi là các tâm tạo thành hơi. Khi tăng t hay là tăng áp suất thì số tâm tạo thành hơi cũng tăng lên và sự sôi sẽ trở nên mãnh liệt hơn. Nếu sự sôi của chất lỏng xảy ra trong thể tích lớn, ở trị số t nhỏ thì nhiệt tải riêng nhỏ, do đó quá trình cấp nhiệt đƣợc xác định theo đối lƣu tự nhiên và hệ số cấp nhiệt có thể tính gần đúng theo phƣơng trình (6-36) và (6-37). ở áp suất thƣờng phƣơng trình đối lƣu tự nhiên 3 2 đƣợc sử dụng khi hiệu số nhiệt độ t 5.10 J/m h. Khi tăng nhiệt tải riêng, bọt hơi đƣợc tạo thành mãnh liệt tạo điều kiện tốc độ chuyển động của chất lỏng. Khi có hệ số cấp nhiệt cũng tăng lên. Chế độ sôi trong những điều kiện đó thƣờng gọi là sôi sủi bọt hay là sôi hạt nhân. Khi tiếp tục tăng hiệu số nhiệt độ giữa tƣờng và chất lỏng sôi, các bọt hơi vừa đƣợc tạo thành kết lại với nhau và trên bề mặt trao đổi nhiệt tạo ra một màng hơi kín; khi đó hệ số cấp nhiệt giảm xuống đột ngột. Chế độ sôi trong điều kiện này gọi là sôi thành màng. Các trị số của nhiệt tải riêng, hiệu số nhiệt độ và hệ số cấp nhiệt, tƣơng ứng với điểm quá độ từ chế độ sôi sủi bọt đến sôi thành màng, gọi là trị số tới hạn. Rõ ràng rằng, chế độ sôi thích hợp nhất của chất lỏng là chế độ sôi sủi bọt, ở gần điểm tới hạn. Đối với nƣớc ở áp suất khi quyển quan hệ giữa q = f ( t) và = ( t) biểu thị trên (hình 6-6). 27
  28. Hệ số cấp nhiệt đối với nƣớ khi sôi trong điều kiện của chế độ sủi bọt, chỉ có đối lƣu tự nhiên và khi áp suất từ 0,2 đến 100 at, thì có thể xác định theo một trong hai công thức dƣới: 0,176 0,7 2 B = 2,453 P q [J/m h.độ] (6-46) B = 22P0,58 l2,33 [J/m2h.độ] (6-47) trong đó: P - áp suất, atm q - Nhiệt tải riêng, [J/m2h.độ] 0 tm - tT = t - hiệu số nhiệt độ, C 6.4. Nhiệt bức xạ 6.4.1. Khái niệm cơ bản Trong quá trình trao đổi nhiệt đối lƣu hầu nhƣ có kèm nhiệt bức xạ. Tất cả các vật thể nhiệt độ cao hơn 0(K) đều phát ra những tia năng lƣợng dƣới dạng tia bức xạ và lan truyền trong không gian xung quanh vật thể. Nhiệt độ của vật thể càng cao thì lƣợng nhiệt đƣợc truyền đi dƣới dạng tia năng lƣợng càng lớn. Các tia bức xạ này phát ra trong không gian khi gặp vật thể khác, nó có thể bị hấp thụ toàn bộ hay một phần để biến thành nhiệt năng. Trong quá trình đó sóng điện từ đóng vai trò là chất tải nhiệt. Đó là quá trình vận chuyển nhiệt bằng bức xạ. Trên bề mặt mọi vật thể luôn luôn xảy ra quá trình bức xạ (phát ra tia bức xạ) và quá trình hấp thụ (hút các tia bức xạ). Về bản chất vật lý thì tia bức xạ nhiệt cũng giống bức xạ ánh sáng và các loại bức xạ khác và tuân theo các định luật về phản xạ, khúc xạ, hấp thụ của các tia. Chúng chỉ khác nhau về độ dài bƣớc sóng. Trong môi trƣờng đồng nhất tia bức xạ cũng truyền theo đƣờng thẳng, trong môi trƣờng chân không tia bức xạ xuyên qua hoàn toàn với tốc độ không đổi là 3.1010 cm/s, với các tia ánh sáng nhìn thấy đƣợc có bƣớc sóng từ 0,4 0,8μ,còn các tia bức xạ có bƣớc sóng từ 0,8 40μ. Nếu nhƣ có một tia sáng có năng lƣợng Q chiếu vào một vật thể nào đó thì trong trƣờng hợp tổng quát, nó phân ra thành ba thành phần tuỳ theo tính 28
  29. chất và bề mặt của vật thể, một phần tia năng lƣợng bị phản xạ QR, một phần năng lƣợng bị hấp thụ QA nghĩa là biến đổi thành nhiệt năng và một phần năng lƣợng bị khúc xạ và xuyên qua vật thể QD. Theo định luật về bảo toàn năng lƣợng thì năng lƣợng bức xạ toàn phần đập vào vật thể là: Q =QA+QD+QR Ký hiệu: Q A = A: khả năng hấp thụ của vật thể. Q Q D = D: khả năng khúc xạ của vật thể. Q Q R = R: khả năng phản xạ của vật thể. Q Ta có: A+R+D=1 Nếu A=1 thì D=R=0, nghĩa là tất cả các tia bức xạ đƣợc hấp thu hoàn toàn bởi vật thể, vật thể nhƣ vậy gọi là vật đen tuyệt đối. Nếu R=1 thì A+D=0, nghĩa là tất cả các tia bức xạ đều đƣợc phản xạ hoàn toàn. Vật thể nhƣ vậy gọi là vật trắng tuyệt đối. Nếu D=1 thì A=R=0 nghĩa là tất cả các tia bức xạ đều đâm xuyên qua vật thể, vật thể nhƣ vậy gọi là vật trong suốt tuyệt đối. Trong thực tế không có vật đen tuyệt đối, vật trắng tuyệt đối, vật trong suốt tuyệt đối mà chỉ vật thể hấp thụ một phần năng lƣợng của các tia sáng có độ dài tia sáng bất kỳ thì gọi là vật xám, nhƣ vật rắn chỉ hấp thụ một phần năng lƣợng của các tia sáng có độ dài bƣớc sóng bất kỳ trong khoảng từ 0 , các khí chỉ hấp thu một phần năng lƣợng của các tia sáng có bƣớc sóng giới hạn trong khoảng nào đó. 6.4.2. Định luật cơ bản về bức xạ nhiệt a. Định luật Planck Định luật Planck thiết lập mối quan hệ giữa cƣờng độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và chiều dài bƣớc sóng. C 5 I 1 3 0 C2 [W/m ] e T 1 Trong đó: I0 : cƣờng độ bức xạ (năng suất bức xạ đơn sắc) của vật đen tuyệt đối. 29
  30. -15 2 C1=0,374.10 [W/m ] -2 C2=1,4388.10 [m/K] : chiều dài bƣớc sóng, [m]. T: nhiệt độ tuyệt đối, [K]. b. Định luật Wien Bƣớc sóng ứng với trị số cực đại I0 là max. Giá trị max có thể tìm đƣợc từ phƣơng trình: -3 maxT = 2,988.10 [m.K] c. Định luật Stefan – Boltzmann Theo lý thuyết thì khả năng bức xạ do một đơn bề mặt vật thể phát ra trong một đơn vị thời gian. Khả năng bức xạ nhiệt của vật thể đƣợc biểu diễn theo công thức sau: Q E [W/m2] F Trong đó: E - là khả năng bức xạ của vật thể. Q - lƣợng nhiệt truyền đi của tia sáng, [W] F - diện tích bề mặt của vật thể, [m2] Khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối E0 tỷ lệ bậc 4 với nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt vật thể. Đó là nội dung định luật Stefan – Boltzmann. 4 2 E0= K0T , [W/m ] Trong đó K0 -hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối, giá trị của nó nhƣ sau: -8 2 4 K0 = 5,67.10 [W/m (K) ] Để thuận tiện cho việc tính toán trong kỹ thuật ngƣời ta thƣờng biểu diễn ở dạng sau: T 4 E 0= C0=( ) 100 Trong đó C0 -hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối giá trị của nó là: 2 -4 C0=5,67 [W/m .K ] d. Định luật Kirchkoff Trong thực tế tất cả các vật thể đều là vật xám, vì vậy điều quan trọng là cần xác định khả năng bức xạ nhiệt của vật xám. Khả năng bức xạ nhiệt của vật xám có thể xác định bằng định luật Kirchkoff, theo định luật này tỷ số giữa khả năng bức xạ của một vật thể bất kỳ (E) với hệ số hấp thụ của nó (A) là một đại lƣợng không đổi và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối Eo và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. 30
  31. Dựa vào định luật Kirchkoff ta có thể tính đƣợc khả năng bức xạ của vật thể bất kỳ. E E A o T 4 2 E= A.Eo= ACo( ) [W/m ] 100 4 2 E = C( ) [W/m ] Trong đó C=AC0 – là hệ số bức xạ của vật xám, phụ thuộc vào tính chất của vật thể và đƣợc xác định bằng thực nghiệm. A là khả năng hấp thụ của vật thế và bằng độ đen. E Đặt - gọi là khả năng bức xạ hay là độ đen của vật thể. E0 6.5. Truyền nhiệt phức tạp 6.5.1. Khái niệm Quá trình truyền nhiệt từ lƣu thể này sang lƣu thể khác qua tƣờng ngăn gọi là truyền nhiệt phức tạp, bao gồm dẫn nhiệt, cấp nhiệt và bức xạ nhiệt. Dựa theo nhiệt độ làm việc của hai lƣu thể ngƣời ta chia ra truyền nhiệt đẳng nhiệt và truyền nhiệt biến nhiệt. - Truyền nhiệt đẳng nhiệt. Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trƣờng hợp nhiệt độ của hai lƣu thể đều không thay đổi theo cả vị trí không gian và thời gian nghĩa là hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian. Ví dụ trong thiết bị cô đặc, một phía là hơi nƣớc ngƣng tụ, một phía là chất lỏng sôi. - Truyền nhiệt biến nhiệt. Trong trƣờng hợp truyền nhiệt biến nhiệt ngƣời ta chia ra thành truyền nhiệt biến nhiệt ổn định và truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định. -Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định là hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể chỉ biến đổi theo vị trí nhƣng không biến đổi theo thời gian, chỉ xảy ra đối với quá trình làm việc liên tục. Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định là trƣờng hợp hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể biến đổi theo vị trí không gian và thời gian, xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn, hoặc trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình làm việc liên tục. 6.5.2. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng phẳng 31
  32. a. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng phẳng một lớp Giả sử có một tƣờng phẳng có các thông số: - Bề mặt truyền nhiệt F [m2] - Chiều dày tƣờng δ (m) - Độ dẫn nhiệt λ [W/m.độ] o - Nhiệt độ của lƣu thể nóng t1 [ C] o - Nhiệt độ của lƣu thể nguội t2 [ C] - Hệ số cấp nhiệt của lƣu thể nóng tới W tƣờng 1 [ ] m2.o C -Hệ số cấp nhiệt của tƣờng tới lƣu thể W nguội 2 [ ] m2.oC Quá trình truyền nhiệt từ lƣu thể nóng tới lƣu thể nguội gồm ba giai đoạn. - Nhiệt cấp từ lƣu thể nóng tới tƣờng - Nhiệt dẫn qua tƣờng - Nhiệt cấp từ tƣờng tới lƣu thể nguội Xét quá trình truyền nhiệt ổn định, lƣợng nhiệt truyền qua mỗi giai đoạn trong khoảng thời gian là không đổi (Q=Q1=Q2=Q3) Dựa vào tính chất truyền nhiệt qua từng giai đoạn ta thành lập phƣơng trình nhƣ sau: - Cấp nhiệt từ lƣu thể nóng tới tƣờng: Q = Q1 = 1(t1 –tT1)F 1 Hoặc Q = (t1 –tT1)F (a) 1 λ Dẫn nhiệt qua tƣờng: Q = Q = (t –t )F 2 δ T1 T 2 δ Hoặc Q = (t –t )F (b) λ T1 T 2 - Cấp nhiệt từ tƣờng tới lƣu thể nguội Q = Q3 = 2(tT2 –t2)F 1 Hoặc Q =(tT2 –t2)F (c) α 2 Cộng ba phƣơng trình (a), (b), (c) lại ta đƣợc: 32
  33. 1 λ 1 Q( + + ) =(t1-t2)F 1 δ α2 1 Q= F(t –t ) 1 δ 1 1 2 α1 λ α2 1 Ta đặt K 1 δ 1 α1 λ α2 Ta sẽ có phƣơng trình: Q =KF(t1 –t2) Q =KF t [J] (6-48) Trong đó: t =t1 – t2 Đây là phƣơng trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng phẳng một lớp đại lƣợng K gọi là hệ số truyền nhiệt thứ nguyên của nó là Q W K = [ ] F t m2.oC Hệ số truyền nhiệt K là lƣợng nhiệt truyền đi trong thời gian 1h từ lƣu thể 2 nóng tới lƣu thể nguội, qua 1m bề mặt phân cách khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa hai lƣu thể là 1 độ Đai lƣợng nghịch đảo của K gọi là trở nhiệt: 1 1 λ 1 m2.oC = + + , [ ] K α1 δ α 2 W Trong đó: -trở nhiệt chung 1 1 , -nhiệt trở của hai lƣu thể α1 α 2 δ -nhiệt trở của tƣờng λ Khi lƣu thể là những chất lỏng có cặn bẩn sẽ có lớp cao bám trên bề mặt tƣờng trao đổi nhiệt làm tăng nhiệt trở của truyền nhiệt. Do đó khi tính toán hệ số truyền nhiệt ta cần chú ý đến nhiệt trở của lớp cặn bẩn. Trong trƣờng hợp không có số liệu thực nghiệm ta tính chiều dày lớp cặn bẩn khoảng từ 0,1 0,5mm. - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng phẳng nhiều lớp Đối với tƣờng phẳng nhiều lớp ta cũng chứng minh tƣơng tự nhƣ trên, Q1=Q2= Q3= = Qn. Cộng các phƣơng trình trên ta cũng đƣợc phƣơng trình tổng quát 33
  34. hệ số K có dạng sau: 1 W K = [ ] (6-49) i n 2 o 1 δi 1 m . C α1 i 1λi α2 i nδ δ δ δ Trong đó: i = 1 2 n i 1λi λ1 λ2 λn δi , λ i -Chiều dày và độ dẫn nhiệt của các lớp tƣờng theo thứ tự tƣơng ứng. 6.5.3. Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng ống một lớp và nhiều lớp - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng ống một lớp Xét một tƣờng hình ống (hình 6-9a) có bán kính trong r1 bán kính ngoài r2, chiều dày δ ,độ dẫn nhiệt λ và chiều dài tƣờng L. Lƣu thể nóng đi trong ống có nhiệt độ t1,hệ số cấp nhiệt 1. Lƣu thể nguội đi ngoài ống có nhiệt độ t2 và hệ số cấp nhiệt 2. Cũng nhƣ tƣờng phẳng, lƣợng nhiệt truyền đi từ lƣu thể nóng tới lƣu thể nguội phải qua ba giai đoạn: - Cấp nhiệt từ lƣu thể nóng tới bề mặt trong của tƣờng ống. - Dẫn nhiệt qua tƣờng ống. - Cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của tƣờng ống tới lƣu thể nguội. Vì quá trình truyền nhiệt ổn định, nên trong khoảng thời gian , lƣợng nhiệt truyền đi trong ba giai đoạn đều phải bằng nhau (Q= Q1=Q2=Q3). 34
  35. Ta cũng thành lập phƣơng trình truyền nhiệt qua từng giai đoạn tƣơng tự nhƣ tƣờng phẳng: - Nhiệt truyền đi từ lƣu thể nóng tới bề mặt trong của tƣờng Q= 1(t1 –tT1) 2 πr1L 1 Hoặc là Q =2 πr1L (a) α1r1 - Dẫn nhiệt qua tƣờng ống 2. .L Q= (tT –tT ) 1 r 1 2 2,3lg 2 λ r1 1 r2 Q .2,3 lg =2 L(tT1 –tT2) (b) λ r1 - Nhiệt truyền đi từ mặt ngoài tƣờng tới lƣu thể nguội Q= 2(tT2 - t2).2 πr2L 1 Hoặc là: Q =(tT - t ).2 L (c) α r 2 2 2 2 Cộng ba phƣơng trìng (a),(b),(c) lai ta có. 1 1 r2 1 Q( + .2,3 lg + ) =2 L(t1 –t2) α1r1 λ r1 α2r2 1 Hay là:Q= ( ) =2 L(t –t ) 1 1 r 1 1 2 2,3lg 2 α1r1 λ r1 α2r2 1 Nếu ta đặt: K = r 1 1 r 1 2,3lg 2 α1r1 λ r1 α2r2 Ta sẽ có phƣơng trình: Q = Kr 2 L [t1 –t2 ] Hay: Q = Kr.2 .L. t. [J] (6-50) Trong đó Kr là hệ số truyền nhiệt trong tƣờng ống Q W Kr = [ ] 2 L t m2.oC Hệ số truyền nhiệt Kr là lƣợng nhiệt truyền từ lƣu thể nóng tới lƣu thể nguội qua 1m chiều dài tƣờng ống trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa hai lƣu thể là một độ. 35
  36. r Trƣờng hợp 2 2 ta có thể áp dụng phƣơng trình truyền nhiệt của r1 tƣờng phẳng để tính toán cho tƣờng ống đƣợc. - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tƣờng ống nhiều lớp Đối với tƣờng ống nhiều lớp (hình 6-9b) thì phƣơng trình truyền nhiệt tổng quát nhƣ sau: Q = Kr.2 π.L. t [J] hệ số truyền nhiệt Kr có dạng sau: 1 W K = [ ] (6-51) r 1 i n 1 r 1 2 o 2,3lg i 1 m . C α r λ r α r 1 1 i 1 i i 2 n 1 Trong đó: i – số thứ tự lớp tƣờng n – số lớp tƣờng rn+1 = rngoài 6.6.Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định Trong trƣờng hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, thì hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể biến đổi theo vị trí, không biến đổi theo thời gian, tức là tƣơng ứng từng vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể có giá trị khác nhau, do đó ta không thể tính lƣợng nhiệt truyền đi với t =t1 – t2 nhƣ trong trƣờng hợp truyền nhiệt đẳng nhiệt mà phải tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình Δt tb Chiều chuyển động của lƣu thể Chiều chuyển động của hai lƣu thể ở hai phía của bề mặt trao đổi nhiệt (tƣờng) có ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình truyền nhiệt. 36
  37. Qua thực tế ngƣời ta phân loại nhƣ sau - Chảy xuôi chiều: lƣu thể 1 và 2 chảy song song cùng chiều với nhau (hình a) - Chảy ngƣợc chiều: lƣu thể 1 và 2 chảy song song nhƣng ngƣợc chiều với nhau (hình b) - Chảy chéo dòng: lƣu thể 1 và lƣu thể 2 chảy theo phƣơng vuông góc (hình c) - Chảy hỗn hợp: lƣu thể 1 chảy theo hƣớng nào đó còn lƣu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chảy ngƣợc chiều có đoạn chảy chéo dòng (hình d). Trong tất cả bốn trƣờng hợp trên, nhiệt độ của hai lƣu thể cùng thay đổi. Lƣu thể nóng có nhiệt độ giảm từ t1đ đến t1c, lƣu thể nguội sẽ tăng nhiệt độ từ t2đ đến t2c. Do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể cũng thay đổi từ tđ đến tc. 6.6.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình Ký hiệu: F –diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 G1,G2 –lƣợng chất lỏng nóng và nguội chảy qua bề mặt trao đổi nhiệt, kg/s; C1,C2 –nhiệt dung riêng của chất lỏng nóng và nguội, [J/kg.độ] o t1đ,t1c –nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng nóng [ C] o t2đ, t2c –nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng nguội [ C] K –hệ số truyền nhiệt của thiết bị [W/m2.độ] Về phƣơng diện cân bằng nhiệt lƣợng ta thấy, lƣợng nhiệt Q của lƣu thể nóng mất đi để giảm nhiệt độ từ t1đ đến t1c cũng đúng bằng lƣợng nhiệt mà lƣu thể nguội thu nhận đƣợc để tăng nhiệt độ từ t2đ đến t2c,tức là: Q =G1C1(t1đ –t1c) = G2C2(t2c –t2đ) [W] (6-52) Mà Q =KF ttb [W] (6-53) a. Trƣờng hợp hai lƣu thể chảy xuôi chiều Xét trƣờng hợp hai lƣu thể chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lƣu thể nóng giảm, nhiệt độ của lƣu thể nguội tăng và đƣợc biểu diễn nhƣ (hình 6-11) Nhiệt độ của hai lƣu thể đều biến đổi dọc theo bề mặt trao đổi 37
  38. nhiệt nhƣng ở từng điểm thì nhiệt độ sẽ không biến đổi theo thời gian. Δt Δt t = max min (6-54) log Δt 2,3lg max Δt min tmax = t1đ –t2đ tmin = t1c – t2c tlog -gọi là hiệu số nhiệt độ trung bình lôgarit gọi tắt là hiệu số nhiệt độ trung bình. Nếu trong quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ của lƣu thể ít biến đổi, tức Δt max là khi tỷ số 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình tlog có thể đƣợc tính gần Δt min đúng theo trung bình số học tlog =0,5( tmax + tmin) b. Trƣờng hợp chảy ngƣợc chiều Trong đó W1, W2, lƣu lƣợng của dòng nóng và dòng lạnh Trƣờng hợp hai dòng chảy ngƣợc chiều ta vẫn dùng phƣơng trình truyền nhiệt (6-48) nhƣ đối với chảy xuôi chiều, trong đó hiệu số nhiệt độ trung bình vẫn tính theo công thức trên (6-49), nhƣng cần chú ý lấy hiệu số nhiệt độ giữa 2 lƣu thể ở vị trí nào lớn hơn là tmax, hiệu số nhiệt độ giữa 2 lƣu thể ở vị trí nào nhỏ hơn là tmin ( hình 6-12), cụ thể: Nếu (t1đ – t2c) > (t1c – t2đ) tmax = t1đ – t2c, tmin = t1c – t2đ Nếu (t1đ – t2c) < (t1c – t2đ) tmax = t1c – t2đ, tmin = t1đ – t2c c. Trƣờng hợp chảy chéo dòng 38
  39. Trong trƣờng hợp hai lƣu thể chảy chéo dòng thì hiệu số nhiệt độ trung bình có thể tính theo công thức trên, nhƣng cần thêm hệ số hiệu chỉnh t Δt Δt t = max min (6-55) log t Δt 2,3lg max Δt min Hệ số t thƣờng nhỏ hơn 1, nên hiệu số nhiệt độ trung bình khi lƣu thể chảy chéo dòng nhỏ hơn hiệu só trung bình khi lƣu thể chảy ngƣợc chiều. Hệ số t phụ thuộc vào tỷ số hiệu số nhiệt độ của hai lƣu thể, t đƣợc xác định theo đồ thị hình 6-13 dựa vào các đại lƣợng P và R nhƣ sau: t t t t P = 2c 2d R = 1d 1c t1d t 2d t 2c t 2d (a) (b) 39
  40. 6.6.2. Chon chiều lƣu thể Trong quá trình truyền nhiệt ổn định nhiệt độ của hai lƣu thể biến thiên theo ba trƣờng hợp sau: - Trƣờng hợp cả hai lƣu thể đều không biến đổi nhiệt độ theo vị trí cũng nhƣ theo thời gian, tức là trƣờng hợp truyền nhiệt đẳng nhiệt. - Trƣờng hợp một trong hai lƣu thể không biến đổi nhiệt độ trong suốt quá trình trao đổi nhiệt, còn lƣu thể kia thì biến đổi nhiệt độ theo vị trí từ tđ đến tc nhƣng không biến đổi theo thời gian. 40
  41. - Trƣờng hợp cả hai lƣu thể cùng biến đổi nhiệt độ theo vị trí nhƣng không biến đổi theo thời gian nhƣ hình (6-12a) và hình (6-12b) - Trong trƣờng hợp đầu và trƣờng hợp thứ hai thì chiều của lƣu thể không ảnh hƣởng đến quá trình truyền nhiệt vì nó không ảnh hƣởng đến hiệu số nhiệt độ trung bình và lƣợng chất tải nhiệt. Do đó khi chọn chiều lƣu thể chỉ dựa vào điều kiện kỹ thuật và cấu tạo thiết bị. Trong trƣờng hợp ba, cả hai lƣu thể cùng biến đổi nhiệt độ, thì chiều lƣu thể ảnh hƣởng đến quá trình truyền nhiệt, trƣớc tiên là ảnh hƣởng đến nhiệt độ cuối của lƣu thể, nếu nhiệt độ cuối thay đổi thì hiệu số nhiệt độ trung bình ttb và lƣợng chất tải nhiệt cũng thay đổi. Do đó trong trƣờng hợp này ta cần chú ý tới đến việc chọn chiều lƣu thể để sao cho quá trình truyền nhiệt tốt nhất. Với quá trình truyền nhiệt cần tăng hiệu suất quá trình truyền nhiệt thì ta cho hai lƣu thể chuyển động ngƣợc chiều. Còn trong trƣờng hợp một số chất dễ gây cháy nổ hoặc phân hủy ở nhiệt độ đầu ta cần làm giảm nhanh nhiệt độ đầu của lƣu thể nóng xuống bằng cách cho hai lƣu thể chuyển đông cùng chiều. 6.6.3. Nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt Khi làm việc nhiệt độ của chất tải nhiệt biến đổi từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối, do đó ta cần xác định nhiệt độ trung bình. Nếu nhƣ một trong hai chất tải nhiệt có nhiệt độ không đổi trong suất quá trình trao đổi nhiệt, ví dụ nhƣ hơi nƣớc ngƣng tụ hoặc chất lỏng sôi thì chỉ cần tính nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt còn lại theo công thức: t2tb = t1 - tlog trong đó: t1 – nhiệt độ chất tải nhiệt thứ nhất (không biến đổi nhiệt độ) tlog – hiệu số nhiệt độ trung bình lôgarít t2tb - nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt thứ hai. Nếu nhƣ cả hai lƣu thể cùng biến đổi nhiệt độ thì có thể xác định nhiệt độ trung bình nhƣ sau: Nhiệt độ của chất tải nhiệt nào thay đổi ít thì lấy trung bình số học t t t = d c 1tb 2 còn nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt thứ hai thì cộng hoặc trừ tlog t2tb = t1tb tlog trong đó: tlog - hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai chất tải nhiệt 41
  42. dùng dấu cộng khi t1tb là chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp hơn. 6.6.5. Tổn thất nhiệt Trong các quá trình truyền nhiệt nói chung đều xảy ra tổn thất nhiệt, tức là lƣợng nhiệt mất mát do thành thiết bị tiếp xúc với môi trƣờng xung quanh, lƣợng nhiệt này truyền đi bằng đối lƣu và bức xạ nhiệt, vì vậy khi tính toán cần phải tính tổng hợp cả hai quá trình đó. 6.7. NHỮNG VÍ DỤ VỀ TRUYỀN NHIỆT Bài tâp 6-1: Cho tƣờng phẳng 1 lớp là gạch thƣờng dày 200mm, kích thƣớc 2000 3000mm. Nhiệt độ 2 bên tƣờng lần lƣợt là 6000C và 500C. Biết hê số dẫn nhiệt của tƣờng là 20 W/m.độ. Tính lƣợng nhiệt dẫn qua tƣờng. Giải Áp dụng phƣơng trình truyền nhiệt qua tƣờng phẳng một lớp ta có: λ Q= F(t -t ) [W] δ 1 2 F= 2000 3000 = 6000000mm 2 = 6 m2 20 Q= 6(600-50) = 330000 [W] 0,2 Bài tập 6-2: Một thiết bị phản ứng có vỏ trong làm bằng thép có chiều dày 1= 6mm, ngoài có bọc một lớp cách nhiệt dày 2=100mm. dung dịch 0 o trong thiết bị có nhiệt độ t1=120 c, nhiệt độ bên ngoài môi trƣờng là t2=35 C. Cho hệ số cấp nhiệt của dung dịch và của không khí lần lƣợt là 340J/m2.h.độ và 11J/m2.h.độ. Tính: a)Lƣơng nhiệt tổn thất ra môi trƣờng? b)Nhiệt độ tT1, tT2, ta ? Giải: a) Lƣơng nhiệt tổn thất ra môi trƣờng? Vì truyền nhiệt đẳng nhiệt do vậy q1= q2 =q3 =q4 =q Q =KF t o t = t1 – t2 = 120 – 35 = 85 C F=1m2 Hệ số truyền nhiệt: 42
  43. 1 K = δ δ 1 1 2 1 α1 λ1 λ2 α2 1 K = = 0,914 [J/m2.h.độ] 1 0,006 0,1 1 340 40 0.1 11 q = 0,914.85 =77,69 [J/m2h] b) Xác địng nhiệt độ tT1, tT2, ta ? Từ phƣơng trình q =q1 = 1 (t1 – tT1) q 77,69 t = t - = 120 - = 119,77oC T1 1 α 340 1 qδ mà q =q = 1 ( t – t ) t = t - 1 2 T1 a a T1 λ 1 1 0,006.77,69 t = 119,77 - = 119,750C a 40 qδ λ 2 mà q =q = 2 ( t – t ) t = t - 3 δ a T2 T2 a λ 2 2 77,69.0,1 t =119,758 - =42,28oC T2 0,1 Bài tâp 6-3: Nhiệt lƣợng của cặn cracking đi ra từ thiết bị cracking đƣợc dùng để đun nóng dầu hỏa trong thiết bị chế biến dầu. Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình giữa cặn cracking nóng và dầu đun trong hai trƣờng hợp xuôi chiều và ngƣợc chiều. Biết dòng cặn cracking đi vào và ra có nhiệt độ 3000C và 2000C, của dầu là 350C và 1800C. Giải Trong trƣờng hợp hai dòng chảy song song ngƣợc chiều: o tmin = 300 – 180 = 120 C o tmax = 200 – 35 = 165 C Δt Δtmin 165 120 Δt max 141,3 C log Δt 165 ln max ln Δtmin 120 43
  44. Trong trƣờng hợp hai dòng chảy song song cùng chiều: o tmin = 300 –35 = 265 C o tmax = 200 – 180 = 20 C Δt Δtmin 265 20 Δt max 94,8 C log Δt 265 max ln ln 20 Δtmin 6.8. BÀI TẬP VỀ TRUYỀN NHIỆT Phần trắc nghiệm Câu 1. Khi nào quá trình truyền nhiệt đƣợc gọi là truyền nhiệt ổn định? a. Quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. b. Quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo không gian và theo thời gian. c. Quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo thời gian mà không thay đổi theo không gian. d. Quá trình mà ở đó nhiệt độ không thay đổi theo không gian và theo thời gian. Câu 2. Khi nào quá trình truyền nhiệt đƣợc gọi là truyền nhiệt không ổn định? a. Quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. b. Quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo không gian và theo thời gian. c. Quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo thời gian mà không thay đổi theo không gian. d. Quá trình mà ở đó nhiệt độ không thay đổi theo không gian và theo thời gian. Câu 3. Dẫn nhiệt là quá trình nhiệt lƣợng đƣợc truyền nhƣ thế nào? a. Bề mặt bên đây tƣờng sang bề mặt bên kia tƣờng. b. Môi trƣờng lƣu chất bên đây tƣờng sang môi trƣờng lƣu chất bên kia tƣờng. c. Môi trƣờng lƣu chất đến bề mặt tƣờng. d. Bề mặt tƣờng đến môi trƣờng lƣu chất. Câu 4. Cấp nhiệt là quá trình nhiệt lƣợng đƣợc truyền nhƣ thế nào? a. Bề mặt bên đây tƣờng sang bề mặt bên kia tƣờng. b. Môi trƣờng lƣu chất bên đây tƣờng sang môi trƣờng lƣu chất bên kia tƣờng. c. Môi trƣờng lƣu chất đến bề mặt tƣờng hoặc từ bề mặt tƣờng đến môi trƣờng lƣu chất 44
  45. d. Vật thể phát ra bức xạ. Câu 5. Dòng đối lƣu đƣợc chia thành mấy dạng? a. 1 dạng b. 2 dạng c. 3 dạng d. 5 dạng Câu 6. Khi nào quá trình truyền nhiệt đƣợc gọi là truyền nhiệt đẳng nhiệt ổn định? a. Nhiệt độ của hai dòng lƣu thể biến đổi cả theo vị trí không gian và thời gian b. Nhiệt độ của hai dòng lƣu thể biến đổi không theo vị trí không gian và thời gian c. Nhiệt độ của hai dòng lƣu thể không đổi cả theo vị trí không gian và thời gian d. Nhiệt độ của hai dòng lƣu thể không đổi theo vị trí không gian hoặc thời gian Câu 7. Khi nào quá trình truyền nhiệt đƣợc gọi là truyền nhiệt biến nhiệt ổn định? a. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể chỉ biến đổi theo vị trí không gian, không biến đổi theo thời gian b. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể không biến đổi theo vị trí không gian, biến đổi theo thời gian c. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể không đổi theo vị trí không gian và thời gian d. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể biến đổi theo vị trí không gian và thời gian Câu 8. Khi nào quá trình truyền nhiệt đƣợc gọi là truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định? a. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể chỉ biến đổi theo vị trí không gian, không biến đổi theo thời gian b. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể không biến đổi theo vị trí không gian, biến đổi theo thời gian c. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể không đổi theo vị trí không gian và thời gian d. hiệu số nhiệt độ giữa hai lƣu thể biến đổi theo vị trí không gian và thời gian Câu 9. Chiều chuyển động của lƣu thể sẽ ảnh hƣởng đến quá trình truyền nhiệt trong trƣờng hợp nào? a. Chỉ nhiệt độ một dòng biến đổi b. Nhiệt độ cả 2 dòng đều không đổi c. Nhiệt độ cả 2 dòng đều biến đổi d. Chiều của lƣu thể không ảnh hƣởng 45
  46. Câu 10. Trong trƣờng hợp tổng quát, hiệu số nhiệt độ trong truyền nhiệt đẳng nhiệt t đƣợc xác định nhƣ thế nào? t1 t2 t1 t2 t1 t2 a. t = t2 – t1 b. t c. t d. t 2 t 2 ln 1 t2 Phần Bài tập Bài tâp 6-1: Tƣờng phẳng 2 lớp (hình 6-16) Lớp thép không gỉ dày 5mm Lớp cách nhiệt là vải amiăng 300mm. Nhiệt độ hai bên tƣờng lần lƣợt là 120oC và 45oC.biết hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ và amiăng lần lƣợt là: 1=17,5W/m.độ, 2 =0,279W/m.độ Tính nhiệt tổn thất qua 1 m2 tƣờng và nhiệt độ tiếp xúc ta giữa hai lớp tƣờng. Bài tập 6-2: Một tƣờng lò hai lớp có lớp trong là gạch chịu lửa có chiều dày 1 =300mm, và vỏ bọc ngoài bằng thép có chiều dày =10mm, với hệ số dẫn nhiệt của gạch và thép lần lƣợt là 1 J/m.h.độ, và 40 J/m.h.độ nhiệt độ trong lò. o o t1=800 C và nhiệt độ bên ngoài môi trƣờng bằng t2=35 C.Cho hệ số cấp nhiệt của không khí nóng trong lò và hệ số cấp nhiệt của môi trƣờng ngoài lò lần 2 lƣợt là 1=30 J/m .h.độ 2 và 2 =14 J/m .h độ. Tính: a) Lƣợng nhiệt tổn thất ra môi trƣờng xung quanh? b)Nhiệt độ giữa hai lớp tƣờng lò? Bài tập 6-3: Một thiết bị phản ứng có có 3 lớp vỏ, lớp trong bằng thép không gỉ, lớp giữa là bông thủy tinh và lớp ngoài là thép thƣờng. Biết nhiệt độ thành trong thiết bị có nhiệt độ là 90oC và nhiệt độ bề mặt ngoài là 40oC. Cho chiều dày lần lƣợt 3 lớp tƣờng: - thép không rỉ có δ 20mm 1 - bông thủy tinh có δ2 100mm 46
  47. - thép thƣờng có δ3 5mm Hệ số dẫn nhiệt lần lƣợt các bức tƣờng là: 1 =17,5W/m.độ 2 =0,0372W/m.độ 2 =46,5W/m.độ. Xác định: a)Lƣợng nhiệt tổn thất qua 1m2 tƣờng b)Nhiệt độ tiếp xúc giữa các vách tƣờng Bài tâp 6-4: Tƣờng lò có hai lớp Lớp gạch chịu lửa dày 1= 400mm Lớp gạch thƣờng dày 2= 200mm o Nhiệt độ bên trong của lò t1=1000 C, nhiệt độ của o phòng xung quanh lò t2= 35 C.Cho hệ số dẫn nhiệt của gạch chịu lửa 1=1,005W/m.độ và của gạch thƣờng 2 =0,28W/m.độ. Biết hệ số cấp nhiệt từ khí 2 trong lò tới tƣờng 1= 30 J/m .h độ. Hệ số cấp nhiệt từ 2 tƣờng đến không khí 2= 14 J/m h độ. Xác định: a)Nhiệt tổn thất từ bề mặt tƣờng. b) Nhiệt độ tại vùng tiếp xúc giữa gạch chịu lửa và gạch thƣờng và nhiệt độ hai bề mặt tƣờng. Bài tâp 6-5: Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lƣu thể qua tƣờng phẳng một 0 0 lớp có nhiệt độ của hai dòng lƣu thể hai bên tƣờng lần lƣợt t1=115 C, t2=40 C. Bề dày tƣờng =10mm. Biết hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm tƣờng là = 46,5W/m.độ, hệ số cấp nhiệt từ lƣu thể tới tƣờng và từ tƣờng đến lƣu thể lần 2 2 lƣợt là 1 = 250 W/m .độ; 2 = 12 W/m .độ. Xác định: a) Hệ số truyền nhiệt ? b) Lƣợng nhiệt truyền đi từ lƣu thể nóng tới lƣu thể nguội? Bài tập 6-6: Một tƣờng lò 2 lớp, gồm lớp vữa chịu lửa dày 1 = 500mm, và lớp 0 0 gạch dày 2 = 250 mm. Nhiệt độ là 1300 C. Nhiệt độ bên ngoài lò 40 C.biết hệ 2 số cấp nhiệt của không khí nóng tới tƣờng là 1= 35J/m .h.độ, hệ số cấp nhiệt 2 . từ tƣờng tới không khí bên ngoài là 2 = 8 J/m .h.độ, cho 1 = 3 J/m. h.độ, 2 = 0,5 J/m.h.độ. Xác định: 47
  48. a) Lƣợng nhiệt truyền đi qua tƣờng? b) Hệ số truyền nhiệt của thiết bị? c) Nhiệt độ ta giữa 2 lớp tƣờng ?. 6.9. BÀI THÍ NHIỆM TRUYỀN NHIỆT Mục đích thí nghiệm Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo lƣu lƣợng và dụng cụ đo nhiệt độ. Xác định lƣợng nhiệt trao đổi giữa hai dòng lƣu chất, và hệ số truyền nhiệt thực nghiệm của thiết bị. Cơ sở lý thuyết Truyền nhiệt giữa hai lƣu thể nóng và lạnh trong thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, đây là quá trình truyền nhiệt phức tạp từ lƣu thể nóng tới lƣu thể nguội qua vách ngăn kim loại. Phƣơng thức truyền nhiệt ở đây bao gồm các bƣớc là cấp nhiệt từ lƣu thể nóng tới bề mặt vách ngăn kim loại, dẫn nhiệt qua vách ngăn kim loại, và cấp nhiệt từ bề mặt của vách ngăn tới lƣu thể nguội. Nhiệt lƣợng do lƣu thể nóng tỏa ra: QN=G1C1(t1đ –t1c) (1) Nhiệt lƣợng do lƣu thể lạnh nhận vào: QL=G2C2(t2đ –t2c) (2) Qtt là nhiệt tổn thất ra môi trƣờng: Phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng đƣợc thành lập nhƣ sau: QN =QL+ Qtt QN=G1C1(t1đ –t1c) = QL=G2C2(t2đ –t2c) + Qtt (3) Trong đó: G1, G2 – Lƣu lƣợng dòng nóng và dòng lạnh, kg/s. C1,C2 - Nhiệt dung riêng của dòng nóng và dòng lạnh, j/kg.độ. o t1đ,t1c -Nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, C. o t2đ,t2c -Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, C. 48
  49. SƠ ĐỒ BÀI THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT GHI CHÚ: T3 2 1 T4 T1 1- Ống truyền nhiệt trong T2 V6 V5 2- Ống bọc ngoài 3- Nồi đun V4 V3 4- Thùng chứa nƣớc lạnh QA,QB Đồng hồ đo lƣu lƣợng QA QB V2 V8 T : Đồng hồ đo nhiệt độ V1 V: Van V7 3 4 A B 49
  50. Về phƣơng diện cân bằng nhiệt lƣợng ta thấy, lƣợng nhiệt Q của lƣu thể nóng mất đi để giảm nhiệt độ từ t1đ đến t1c cũng đúng bằng lƣợng nhiệt mà lƣu thể nguội thu nhận đƣợc để tăng nhiệt độ từ t2đ đến t2c,tức là: Q =G1C1(t1đ –t1c) = G2C2(t2c –t2đ) [W] (4) Mà Q =KF tlog [W] Q K (5) F. t log Trong đó: F-diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị, m2. K - hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m2.độ. o Δtlog - hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lƣu chất, C. Trƣờng hợp cho hai lƣu thể chuyển động cùng chiếu ta có Δt Δt t = max min (6) log Δt 2,3lg max Δt min tlmax = t1đ –t2đ tmin = t1c – t2c tlog -gọi là hiệu số nhiệt độ trung bình lôgarit gọi tắt là hiệu số nhiệt độ trung bình. 50
  51. Nếu trong quá trình truyền nhiệt, mà nhiệt độ của lƣu thể ít bị biến đổi, Δt max tức là khi tỷ số 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình tlog có thể đƣợc tính Δt min gần đúng theo trung bình số học tlog =0,5( tmax + tmin) Trƣờng hợp hai dòng lƣu thể chảy ngƣợc chiều ta có Δt Δtmin tlog= max (7) Δtmax 2,3lg Δtmin Δtmax , tmin -hiệu số nhiệt độ lớn và nhỏ của hai lƣu thể ở hai đầu thiết bị oC. tlog -gọi là hiệu số nhiệt độ trung bình lôgarit gọi tắt là hiệu số nhiệt độ trung bình. Nếu trong quá trình truyền nhiệt, mà nhiệt độ của lƣu thể ít bị biến đổi, Δt tức là khi tỷ số max 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình tlog có thể đƣợc Δtmin tính gần đúng theo trung bình số học tlog =0,5( tđ + tc) Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm gốm: - ống truyền nhiệt ống lồng ống kiểu đơn giản với kích thƣớc nhƣ sau: - Đƣờng kính ống trong 14/16 - Đƣờng kính ống ngoài 26/28. - Chiều dài ống 1000mm. - -Một bồn chứa nƣớc lạnh. 51
  52. - Một nồi đun nƣớc nóng với điện trở có công suất 5000W. - Một bơm ly tâm dùng để bơm nƣớc nóng A, - Một bơm ly tâm dùng để bơm nƣớc lạnh B, - Hai lƣu lƣợng kế QA và QB. - Hai thiết bị đo nhiệt độ của dòng nóng và dòng lạnh, đầu đo đặt ở hai đầu của ống lớn và ống nhỏ. Trình tự thí nghiệm Kiểm tra toàn bộ các thiết bị sau đó mở van cho nƣớc chảy vào khoảng 2/3 nồi đun 3 rồi bật công tác điện trở đun cho tới khi nƣớc sôi. Mở hoàn toàn van V7 và van V8, rồi cho bơm nƣớc lạnh B chạy, và điều chỉnh lƣu lƣợng dòng lạnh qua lƣu lƣợng kế (QB) ở lƣu lƣợng 8 lít /phút bằng van V7 và V8. Thí nghiệm 1: Hai lƣu thể chuyển động song song cùng chiều. Mở hoàn toàn các van V1, V2, V4, V6, đóng hoàn toàn các van V3, V5 sau đó cho bơm nƣớc nóng A chạy, điều chỉnh lƣu lƣợng dòng nóng qua lƣu lƣợng kế (QA) ở mức 4 lí/phút bằng van V1 và V2. Đợi khoảng 2 phút sau đó đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra của hai dòng lƣu thể ứng với các nút ở thiết bị đo nhiệt độ. Tiếp tục điều chỉnh van V1,và van V2 để tăng lƣu lƣợng dòng nóng lên 8 và 12 lít /phút rồi đo nhiệt độ đầu vào và ra tƣơng tự nhƣ trên. - Tắt bơm dòng nóng A. - Tắt bơm dòng nóng và bơm dòng lạnh kế thúc bài thí nghiệm. Thí nghiệm 2: Hai lƣu thể chuyển động song song ngƣợc chiều. Mở hoàn toàn các van V1, V2, V3, V5, đóng hoàn toàn các van V4, V6 sau đó cho bơm nƣớc nóng A chạy, điều chỉnh lƣu lƣợng dòng nóng qua lƣu lƣợng kế (QA) ở mức 4 l/ph bằng van V1 và V2. Đợi khoảng 2 phút sau đó đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra của hai dòng lƣu thể ứng với các nút ở thiết bị đo nhiệt độ. Tiếp tục điều chỉnh van V1,và van V2 để tăng lƣu lƣợng dòng nóng lên 8 và 12 l /ph rồi đo nhiệt độ đầu vào và ra tƣơng tự nhƣ trên. - Tắt bơm dòng nóng và bơm dòng lạnh kế thúc bài thí nghiệm. 52
  53. Kết quả thí nghiệm 1 Lƣu Nhiệt độ dòng Nhiệt độ dòng Lƣu Hiệu số nhiệt độ lƣợng nóng lạnh lƣợng trung bình hai dòng dòng dòng song song nóng Vào oC Ra oC Vào oC Ra oC lạnh l/ph cùng chiều l/ph QN=4 QL=8 QN=8 QN=12 Kết quả thí nghiệm 2 Lƣu Nhiệt độ dòng Nhiệt độ dòng Lƣu Hiệu số nhiệt độ lƣợng nóng lạnh lƣợng trung bình hai dòng dòng dòng song song nóng Vào oC Ra oC Vào oC Ra oC lạnh l/ph ngƣợc chiều l/ph QN=4 QL=8 QN=8 QN=12 Trình tự tính toán - Tính lƣợng nhiệt tỏa ra của lƣu thể nóng theo công thức (1) - Tính lƣợng nhiệt nhận vaò của lƣu thể nguội theo công thức (2). - Rút ra lƣợng nhiệt tổn thất theo công thức (3) nếu có. - Tính hiệu số nhiệt độ trung bình theo công thức (7). - Tính hệ số truyền nhiệt của thiết bị theo công thức (5), Bàn luận Sau khi tính toán học viên tự đƣa ra những nhận xét, đánh giá và bàn luận về kết quả thí nghiệm. - Tổn thất nhiệt độ có không tại sao? - Nguyên nhân gây ra sai số trong bài thí nghiệm, ảnh hƣởng của sai số đến kết quả tính toán và biện pháp khắc phục. - Đƣa ra một vài ứng dụng mô hình thí nghiệm trong thực tế. 53
  54. BÀI 7 ĐUN NÓNG – LÀM NGUỘI – NGƢNG TỤ Mã Bài: QTTB 7 Giới thiệu Đun nóng, làm nguội, ngƣng tụ đƣợc ứng dụng phổ biến trong sản xuất và đời sống con ngƣời, nhƣ các thiết bị đun nóng nƣớc, các thiết bị làm nguội, ngƣng tụ. Ví dụ các thiết bị ngƣng tụ trong chƣng cất dầu mỏ, chƣng cất rƣợu, v.v Mục tiêu thực hiện Học xong bài này học viên có khả năng: - Mô tả các phƣơng pháp đun nóng, làm nguội và ngƣng tụ - Mô tả các thiết bị trao đổi nhiệt. - Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lƣợng trong các thiết bị đun nóng, làm nguội, ngƣng tụ. - Vận hành một vài thiết bị trao đổi nhiệt điển hình. Nội dung chính 7.1. Nguồn nhiệt và các phƣơng pháp đun nóng 7.1.1. Khái niệm nguồn nhiệt và các phƣơng pháp đun nóng Đun nóng là quá trình đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm. Nó có tác dụng làm tăng tốc độ các quá trình phản ứng hoá học, là điều kiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác nhƣ chƣng cất, cô đặc, sấy khô, v.v Năng lƣợng nhiệt dùng để đun nóng có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau. Ngƣời ta có thể sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp nhƣ khói lò, dòng điện. Hoặc nguồn nhiệt gián tiếp từ các chất tải nhiệt trung gian đƣợc lấy từ các chất đun nóng nhƣ hơi nƣớc, nƣớc nóng, nƣớc quá nhiệt, dầu khoáng, các chất tải nhiệt đặc biệt khác (các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó). Mỗi chất tải nhiệt đều có ƣu nhƣợc điểm nhất định, do đó tùy vào từng trƣờng hợp cụ thể mà ta chọn nguồn nhiệt cho thích hợp. Khi chọn cần chú ý các điều kiện quan trọng sau: - Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ. - Độ độc và tính hoạt động hoá học. - Độ an toàn khi đun nóng. - Rẻ tiền và dễ kiếm. 54
  55. 7.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của các nguồn nhiệt trong đun nóng. a. Đun nóng bằng hơi nƣớc bão hoà Đun nóng bằng hơi nƣớc bão hoà đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học và thực phẩm, nó có những ƣu nhƣợc điểm sau: Ƣu điểm: - Lƣợng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị chất tải nhiệt) tƣơng đƣơng với nhiệt hóa hơi. - Đun nóng đƣợc đồng đều vì hơi ngƣng tụ trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt ở cùng nhiệt độ. - Hệ số cấp nhiệt lớn (10000 15000W/m2.độ) do đó bề mặt truyền nhiệt nhỏ, nghĩa là kích thƣớc thiết bị nhỏ gọn hơn so với thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi. - Vận chuyển đi xa đƣợc trong đƣờng ống. Nhƣợc điểm: - Nhiệt độ đun nóng hạn chế, không thể đun nóng tới nhiệt độ cao, vì nhiệt độ càng cao thì nhiệt hóa hơi giảm. Ví dụ hơi nƣớc bão hoà ở 150oC áp suất là 4,89at có nhiệt hóa hơi là 506kcal/kg, ở 374oC (nhiệt độ tới hạn), áp suất là 225at thì nhiệt hóa hơi bằng không. Vì vậy trong thực tế đun nóng bằng hơi nƣớc bão hoà chỉ sử dụng trong trƣờng hợp đun nóng không quá 180oC. - Phải có lò hơi để tạo ra hơi nƣớc bão hòa. b. Đun nóng bằng khói lò Đun nóng bằng khói lò cũng đƣợc sủ dụng nhiều trong công nghiệp, khói lò đƣợc tạo thành khi đốt cháy các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí trong lò đốt. Ƣu điểm: đun nóng bằng khói lò có thể tạo đƣợc nhiệt độ cao (trên 1000oC). Nhƣợc điểm: - Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ (không quá 100W/m2.độ) do đó thiết bị cồng kềnh. - Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên phải dùng một lƣợng khói ló rất lớn để đun nóng. - Đun nóng không đƣợc đồng đều vì khói lò vừa cấp nhiệt vừa nguội đi. - Khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện tƣợng quá nhiệt từng bộ phận và gây ra phản ứng phụ không cần thiết. 55
  56. - Khói lò thƣờng có bụi và khí độc của nhiên liệu (nhất là nhiên liệu rắn) do đó khi đun nóng gián tiếp bề mặt truyền nhiệt sẽ bị bám cặn còn đun nóng trực tiếp cũng bị hạn chế. - Không an toàn khi đun nóng các chất dễ cháy và dễ bay hơi. - Trong khói lò luôn có lƣợng ôxy dƣ (nhất là khi điều chỉnh nhiệt độ của khói lò bằng cách trộn thêm không khí ngoài trời vào) vì vậy ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với thiết bị sẽ bị ôxy hoá kim loại làm thiết bị nhanh hỏng. - Hiệu suất sử dụng thấp, lớn nhất là 30%. c. Đun nóng bằng dòng điện Ƣu điểm: Đun nóng bằng dòng điện có thể tạo đƣợc nhiệt độ rất cao đến 3200oC mà các phƣơng pháp khác không thực hiện đƣợc, dễ điều chỉnh nhiệt độ chính xác, hiệu suất truyền nhiệt cao có thể đạt đƣợc 95%. Nhƣợc điểm: thiết bị phức tạp, giá thành cao do vậy chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi. d. Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt Khi cần đun nóng ở nhiệt độ lớn hơn 180oC ta cần dùng chất tải nhiệt đặc biệt nhƣ nƣớc quá nhiệt, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi bão hoà nhỏ, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao, các chất tải nhiệt hữu cơ thƣờng dùng là điphênyl, êteđiphênyl, hỗn hợp các muối và kim loại nóng chảy. Đầu tiên ta dùng khói lò hoặc dòng điện để đun nóng chất tải nhiệt chuyển về trạng thái lỏng hoặc hơi, rồi truyền nhiệt cho các chất cần đun nóng. e. Đun nóng bằng khí thải và chất lỏng thải Đây là một phƣơng pháp đun nóng tiếp kiệm và tận dụng nhiệt của các chất thải trong nhà máy mà nhiệt độ còn cao. 7.2. Các phƣơng pháp đun nóng 7.2.1. Đun nóng bằng hơi nƣớc a. Đun nóng bằng hơi nƣớc trực tiếp Đun nóng bằng hơi nƣớc trực tiếp là quá trình đun nóng đơn giản nhất, trong đó hơi nƣớc sục trực tiếp vào chất lỏng cần đun nóng, nƣớc ngƣng tụ trộn lẫn với chất lỏng. Đun nóng chất lỏng bằng hơi trực tiếp đơn giản là dùng ống có đầu cuối hở, sục vào trong thùng chứa chất cần đun nóng (hình 7.1) 56
  57. Khi cần thiết khuấy trộn chất lỏng cùng với đun nóng, ngƣời ta cho hơi trực tiếp đi qua những ống hình xoắn ốc (hình 7.2) hoặc một số ống thẳng song song đặt phía đáy thùng gọi là ống phun sủi bọt. Để giảm tiếng ồn khi hơi phun ra khỏi đầu ống với tốc độ lớn, ngƣời ta cấu tạo thêm loa giảm tiếng động nhƣ hình 7.3. Hơi phun ra khỏi đầu ống dẫn hơi với tốc độ rất lớn, do áp suất tĩnh học trong loa giảm xuống chất lỏng bên ngoài loa ập vào các lỗ cạnh của loa vừa pha trộn vừa luồng hơi phun ra và làm tắt tiếng động. Phƣơng pháp đun nóng bằng hơi nƣớc có ƣu điểm là rất đơn giản, nhƣng có nhƣợc điểm là làm pha loãng chất lỏng cần đun. Do đó phƣơng pháp này chỉ dùng trong trƣờng hợp cho phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xảy ra giữa chất lỏng với nƣớc. Thƣờng ngƣời ta chỉ dùng đun nóng nƣớc và dung dịch nƣớc. Để xác định lƣợng hơi nƣớc tiêu hao trong quá trình đun nóng theo từng mẻ ngƣời ta dựa vào phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng: DI + G2.C2.t2đ =D.C2.t2c + G2.C2.t2c + Qtt. Từ đó rút ra lƣợng hơi cần thiết: G2C2(t2c t2d ) .Qtt D = [kg] (7-1) I C2t2c 57
  58. trong đó: G2 –lƣợng chất lỏng cần đun nóng [kg] C2 –nhiệt dung riêng của chất lỏng cần đun nóng [J/kg.độ] o t2đ,t2c –nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của chất lỏng [ C] D –lƣợng hơi cần thiết, [kg] I –nhiệt lƣợng riêng của hơi nƣớc [J/kg] Qtt –nhiệt tổn thất ra môi trƣờng xung quanh [W] -thời gian đun nóng [s] b. Đun nóng bằng hơi nƣớc gián tiếp -Phƣơng pháp đun nóng gián tiếp đƣợc dùng khi chất lỏng cần đun không đƣợc phép pha loãng. Quá trình truyền nhiệt giữa hơi nƣớc với chất cần đun nóng qua tƣờng ngăn cách, nhiệt từ hơi sẽ truyền qua tƣờng để cấp cho chất cần đun nóng. Đun nóng gián tiếp đƣợc thực hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau nhƣ: thiết bị loại ống xoắn, loại ống chùm, loại vỏ bọc, v.v Hơi nƣớc sau khi cấp nhiệt qua tƣờng sẽ bị ngƣng tụ rồi chảy ra khỏi thiết bị qua đƣờng ống riêng. Lƣợng hơi nƣớc sử dụng trong đun nóng gián tiếp cũng giống trong trƣờng hợp đun nóng trực tiếp và xác định dựa vào phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng G2C2(t2c t2d ) .Qtt D = [kg] (7-2) I Cntn Q = D.r =D(I - Cntn) (7-3) Trong đó: 0 tn –nhiêt độ của nƣớc ngƣng tụ; [ C ] Cn –nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng tụ; [J/kg.độ ] 0 t2đ,t2c - nhiệt độ của chất lỏng cần đun nóng; [ C ] r - nhiệt ngƣng tụ của hơi nƣớc bão hoà [J/kg] I- hàm nhiệt của hơi đốt [J/kg] 7.2.2. Đun nóng bằng khói lò a Sơ đồ đun nóng bằng khói lò. Khói lò đƣợc tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò đốt 1.Sau đó đi vào phòng trộn 2, ở phòng trộn có cho thêm không khí lạnh vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò. Lƣợng không khí cho vào phụ thuộc vào nhiệt độ cần điều chỉnh để đun nóng. Để giảm lƣợng ôxy trong khói lò và tăng hiệu quả 58
  59. kinh tế ngƣời ta có thể dùng khí thải tuần hoàn (khói lò sau khi đã đun nóng) để trộn lẫn. b. Cấu tạo lò đốt kiểu ống -Sơ đồ lò ống (hình7-5) Nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí đƣợc đƣa vào lò đốt 1, và cháy tạo thành khói lò đi sang phòng trộn 2, không khí bên ngoài đƣợc quạt 3 thổi vào trộn lẫn với khói lò. ta có thể điều chỉnh lƣu lƣợng của không khí, do đó điều chỉnh đƣợc nhiệt độ của khói lò trong phòng trộn 2 để đi sang phòng 5, trong phòng 5 có đặt thiết bị truyền nhiệt, còn khói lò đi bên ngoài ống còn chất cần đun nóng đi bên trong ống truyền nhiệt. Sau khi đun nóng khí thải đi theo cửa 7 lên ống khói ra ngoài. 59
  60. c. Nồi phản ứng. Cấu tạo thiết bị hình (7-6) gồm nồi phản ứng 1, và lò đốt 2, nhiên liệu có thể là lỏng hoặc khí đƣợc đƣa vào lò đốt cháy tạo ra khói lò, và truyền nhiệt cho hỗn hợp trong thiết bị để thực hiện phản ứng. d Đun nóng tuần hoàn khí thải Sơ đồ đun nóng có tuần hoàn khí thải hình (7-7) khói lò đƣợc đƣa vào thiết bị đun nóng 1 sau đó đi sang thiết bị đun nóng sơ bộ 2 và đƣợc quạt 3 hút về một phần đƣa về trộn với khói lò để điều chỉnh nhiệt độ, còn một phần thải ra ngoài ống 5, điều chỉnh lƣợng khí thải bằng van 6. Còn chất cần đun nóng đƣợc đƣa vào thiết bị đun nóng sơ bộ 2 rồi sang thiết bị đun nóng 1 và ra ngoài. *Ƣu điểm: Tiết kiệm đƣợc năng lƣợng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ bằng cách tuần hoàn một phần khí thải. *Nhƣợc điểm: Cồng kềnh 7.2.3. Đun nóng bằng dòng điện Đun nóng bằng dòng điện là biến điện năng thành nhiệt năng để đun nóng vật liệu.Tùy từng trƣờng hợp cụ thể mà ta sử dụng các kiểu lò khác nhau, nhƣ lò điện trở, lò hồ quang, lò cảm ứng Lò địên trở chia làm hai loại: 60
  61. - Lò điện trở trực tiếp là loại mà vật liệu đun nóng đƣợc nối trực tiếp vào mạch điện hoặc qua máy biến thế cho dòng điện vào để đốt nóng. - Lò gián tiềp trong đó nhiệt đƣợc tỏa ra từ dây điện trở rồi truyền nhiệt cho vật liệu bằng bức xạ, dẫn nhiệt và đối lƣu. Lò điên cảm ứng - Vật liệu đun nóng đƣợc đặt trong từ trƣờng xoay chiều hoặc dòng điện xoay chiều, khi đó vật liệu sẽ xuất hiện dòng điên cảm ứng để đốt nóng vật liệu. Lò hồ quang. - Điện năng tạo thành tia lửa điện đốt nóng môi trƣờng, đốt nóng bằng tia hồ quang có thể tạo ra nhiệt độ rất cao từ 1500- 2500oC. Nhƣợc điểm của lò hồ quang là khó điều chỉnh nhiệt độ và nhiệt độ không đồng đều. Ứng dụng của lò hồ quang dùng đun nóng chảy kim loại và các bua canxi, phốt pho. a. Lò điện trở Cấu tạo lò điện trở đốt nóng gián tiếp (hình 7-8), gồm thiết bị đun nóng 1, bao quanh có lớp lót gạch chịu lửa 2, trong trƣờng hợp nhiệt độ đốt nóng dƣới 400oC thì không cần gạch chịu lửa, trong các khe của các lớp lót này có đặt dây điện trở 4. Điện trở có thể ở dạng tấm hoặc dây, vật liệu chế tạo bằng hợp kim: 30 80% niken, 20%Cr, 0,5 50% Fe.Hoặc hợp kim Crôm sắt nhôm. 61
  62. Kích thƣớc của các vòng dây xoắn phải chọn thích hợp để hạn chế sự phản xạ tƣơng hỗ giữa các vòng dây và đảm bảo độ bền của dây. Ƣu điểm: Đun nóng đƣợc đồng đều và dễ điều chỉnh nhiệt độ chính xác bằng cách thay đổi điện thế của dòng điện hoặc đóng mở điện đi vào từng phần của điện trở, nhiệt độ có thể đạt từ 1000 1100 0C. Nhƣợc điểm: giá thành cao. Nhiệt lƣợng cần đun nóng đƣợc xác định băng phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng sau: Q +GCt1=GCt2 +Qtt Q =GC(t2 –t1) + Qtt [W] Trong đó: G-là lƣợng dung dịch cần đun nóng [kg/s] C -nhiệt dung riêng của dung dịch [J/kg 0C]. Qtt -nhiệt mất mát ra môi trƣờng [W]. Công suất của dòng điện Q N = [W]. b. Lò điện cảm ứng Sơ đồ cấu tạo đun nóng bằng dòng điện cảm ứng (hình 7-9) gồm thiết bị đun nóng 1 là thân hình trụ, xung quanh có cuốn dây dẫn 2 hình xoắn ốc (dây dẫn không tiếp xúc vào thiết bị). Khi dòng điện xoay chiều đi qua dây dẫn, trên vỏ thiết bị sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều đun nóng thiết bị. dây dẫn làm bằng vật liệu có điện trở thấp nhƣ đồng hoặc nhôm. c. Đun nóng băng dòng điện cao tần Thiết bị đun nóng bằng dòng điện có tần số cao, có cấu tạo gồm hai tấm kim loại đƣợc nối với nguồn điện xoay chiều, vật liệu đun nóng đƣợc đặt ở giữa của hai bản cực kim loại của tụ điên. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng để đun nóng các chất điện môi hay chất bán dẫn và các loại chất dẻo, gỗ. Dƣới tác dụng của điện trƣờng của dòng xoay chiều các phân tử có cực của chất điện môi sẽ bị dao động tƣơng ứng với tần số của dong điện, nhƣ vậy các phân tử sẽ bị tiêu hao một phần năng lƣợng để khắc phục trở lực ma sát, do đó phần điện năng biến thành nhiệt năng để đun nóng vật liệu. Lƣợng nhiệt tỏa ra tỷ lệ bậc một với tần số dòng điện và tỷ lệ bậc 2 với hiệu điện thế của dòng điện, và có thể điều chỉnh nhiệt độ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện bằng bộ đèn phát sóng. 62
  63. Phƣơng pháp này thƣờng dùng dòng điện có tần số từ 0,5.106 100.106 Hz *Ƣu điểm: đun nóng đồng đều, nhanh, có thể điều chỉnh dễ dàng, có thể hoàn toàn tự động đƣợc. 7.2.4. Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt. Trong nhiều quá trình sản xuất hóa học yêu cầu đun nóng đồng đều và ở nhiệt độ cao, nhƣng dùng khói lò hoặc điện thì không thích hợp, hoặc điều kiện an toàn thì không cho phép. Trong các trƣờng hợp này ta phải dùng chất tải nhiệt đặc biệt, đó là các chất có nhiệt độ sôi cao hoặc hơi của nó làm chất tải nhiệt trung gian, các chất này nhận nhiệt từ khói lò hoặc dòng điện rồi truyền cho thiết bị cần đun nóng, chất tải nhiệt này đƣợc tuần hoàn tự nhiên hoặc tuần hoàn cƣỡng bức. Đun nóng bằng phƣơng pháp này cho phép ta điều chỉnh nhiệt độ đƣợc dễ dàng. Nhiệt độ lớn nhất để đun nóng phụ thuộc vào tính chất của chất tải nhiệt, có thể từ 360 đến 500oC. a. Đun nóng bằng dầu khóang. Trong trƣờng hợp đun nóng tránh quá nhiệt và cần đồng đều, ngƣời ta dùng dầu khoáng làm chất tải nhiệt trung gian. Dầu khoáng nằm ở phần giữa vỏ trong và vỏ ngoài, dầu khoáng đƣợc đun nóng nhờ khói lò và đồng thời dầu khoáng truyền nhiệt qua vỏ trong của thiết bị cho chất cần đun nóng. Sơ đồ đun nóng bằng dầu khoáng hình (7-10) dầu chứa trong khoảng giữa của vỏ 1 và vỏ 2. Nguyên tắc làm việc: Dầu khoáng đƣợc chứa trong thùng 4 đƣợc bơm 5 đƣa lên bình 3 rồi chảy theo đƣờng ống 6 vào khoảng giữa hai vỏ 1và 2. lò đốt vói nhiên liệu là dầu đốt cháy với không khí tạo ra khói lò có nhiệt độ cao, và truyền nhiệt qua vỏ ngoài cho dầu khoáng, và nhiệt từ dầu khoáng truyền qua vỏ trong cấp nhiệt cho chất cần đun nóng. khi dầu bị đun nóng thì các khí lẫn trong dầu thoát ra và giãn nở, khi đó dầu chảy theo ống 7 lên bình giãn nở 3 rồi tuần hoàn về khoảng trống giữa hai vỏ. Khi dầu mới vào đun nóng có chứa một lƣợng ẩm nhất định, do đó khi tiếp xúc với nhiệt độ cao từ 100 đến 120oc nó sẽ sôi bùng lên, hiện tƣợng này có thể làm cho toàn bộ dầu bị thoát lên bình giãn 3, khi đó dầu tràn sẽ chảy theo đƣờng ống 8 trở về thùng chứa 4. Trong thùng chứa 4 dầu thƣờng đƣợc đun nóng sơ bộ khoảng từ 60 80oc để giảm độ nhớt của dầu khi vận chuyển Đun nóng bằng dầu chỉ đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp không dùng đƣợc các phƣơng pháp khác. Ƣu điểm: Nhiệt đun nóng đƣợc đồng đều. 63
  64. Nhƣợc điểm: Hiệu số nhiệt độ thấp, nên nhiệt truyền qua không đƣợc lớn và khó điều chỉnh nhiệt độ. b. Đun nóng bằng muối nóng chảy Trong trƣờng hợp đun nóng ở nhiệt độ cao hơn 3800C ngƣời ta thƣờng dùng hỗn hợp muối nóng chảy. Ứng dụng của hỗn hợp muối nóng chảy thƣờng dùng để đun nóng từ 1400C đến 5400C. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không có áp suất dƣ. Hỗn hợp muối nóng chảy thƣờng dùng gồm ba loại muối NaNO2 40%, NaNO3 7% và KNO3 53%(theo khối lƣợng)nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp muối này là 1420C giới hạn nhiệt độ sử dụng là 5300C. Phƣơng pháp đun nóng bằng muối nóng chảy thƣờng dùng làm chất tải nhiệt trong thiết bị xúc tác và trong trƣờng hợp đun nóng bằng dầu không đạt yêu cầu. 7.2.5. Đun nóng bằng nƣớc quá nhiệt a. Thiết bị đun nóng tuần hoàn tự nhiên Nƣớc là chất tải nhiệt khá phổ biến, nhiệt độ giới hạn của nƣớc là 374oc tƣơng ứng với áp suất 225 at, vì vậy ta dùng nƣớc ở gần nhiệt độ và áp suất giới hạn để thực hiên quá trình truyền nhiệt cho chất cần đun nóng. Sơ đồ đun nóng bằng nƣớc tuần hoàn tự nhiên (hình 7-11) 64
  65. Nguyên tắc làm việc: kiểm tra thiết bị rồi cho đầy nƣớc cất vào hệ thống bằng bơm tay để đuổi hết không khí ra. Sau đó đốt lò, tạo ra khói lò (nhiên liệu thƣờng bằng dầu Fo), khói lò truyền nhiệt cho nƣớc trong ống trao đổi nhiệt, làm nhiệt độ nƣớc tăng. Nƣớc khi đun nóng bị dãn nở và áp suất trong hệ thống tăng lên rất nhanh, áp suất ta điều chỉnh bằng van tháo nƣớc ra từ từ. Áp suất phải lớn hơn một ít so với áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ đã cho. Nhƣ vậy vừa đun nóng vừa tháo bớt nƣớc ra và đƣa dần dần nhiệt độ và áp suất của nƣớc lên đến gần trị số giới hạn, khi đó hệ thống chỉ có nƣớc không có không khí và hơi. Trong quá trình làm việc làm nhiệt độ nƣớc ở ống trao đổi nhiệt 1 tăng và khối lƣợng riêng giảm, rồi chuyển động lên theo ống tuần hoàn 3 và vào thiết bị đun nóng 4 thực hiên truyền nhiệt cho chất cần đun nóng, khi đó nhiệt độ của nƣớc giảm xuống làm khối lƣợng riêng tăng và chảy xuống ống tuần hoàn 5 tiếp tục đi vào ống truyền nhiệt 1.Cƣờng độ tuần hoàn phụ thuộc vào độ giảm nhiệt độ của nƣớc trong ống xoắn và hiệu số chiều cao của thiết bị truyền nhiệt trong lò đốt với ống truyền nhiệt ở thiết bị đun nóng 4. Thực tế tốc độ tuần hoàn của nƣớc quá nhiệt trong hệ thống có thể đạt 0,1 0,2 m/s. *Ƣu điểm: Không tiêu hao năng lƣợng để tạo lên dòng tuần hoàn. *Nhƣợc điểm: Tốc độ dòng tuần hoàn thấp và năng suất nhỏ. 65
  66. b. Thiết bị đun nóng tuần hoàn cƣỡng bức Sơ đồ thiết bị đun nóng bằng nƣớc quá nhiệt tuần hoàn cƣỡng bức (hình 7-12) nƣớc quá nhiệt đƣợc đun nóng ở lò đốt 2 nhờ khói lò rồi chuyển động sang thiết bị đun nóng 1, sau đó đƣợc bơm cao áp 9 hút rồi đẩy nƣớc tuần hoàn vào thiết bị trao đổi nhiệt ở lò đốt. Để tránh cho bơm làm việc ở nhiệt độ cao và áp suất lớn, ta không bơm trực tiếp nƣớc nóng mà chỉ cho nƣớc lạnh vào bơm. Khi bơm làm việc pittông đi từ phải sang trái, van 4 đóng van 3 mở chất lỏng nóng đƣợc hút vào bình chứa 7, đồng thời van 5 đóng van 6 mở, nƣớc nóng từ bình chứa 8 đƣợc đẩy qua van 6 về lò đốt. Khi pittông từ trái sang phải, van 4 mở van 3 đóng nƣớc từ bình chứa 8 đƣợc đẩy qua hộp van về lò đốt, đồng thời van 6 đóng van 5 mở nƣớc từ thiết bị đun nóng qua hộp van vào bình chứa 7. Vì vậy nƣớc nóng chỉ nằm ở phần trên của bình 7 và 8, còn từ phần dƣới bình về bơm là nƣớc lạnh. Để tránh hiện tƣợng bơm bị nóng lên, thì đƣờng ống từ bình 7 và 8 đƣợc làm lạnh bằng nƣớc lạnh ở thiết bị 10. Thỉnh thoảng ngƣời ta thêm nƣớc vào hệ thống qua van 11. Để thay đổi nhiệt độ ta điều chỉnh lƣợng không khí và nhiên liệu trong lò đốt. 66
  67. *Ƣu điểm: Tốc độ dòng tuần hoàn lớn khoảng 2 m/s, do vậy năng suất đun nóng lớn. *Nhƣợc điểm: Cấu tạo thiết bị phức tạp 7.3. Làm nguội Trong công nghệ hoá học có những quá trình cần phải làm nguội, các chất cần làm nguội có thể ở dạng khí, hơi hoặc là chất lỏng. Chất tải nhiệt đƣợc dùng phổ biến nhất trong quá trình làm nguội là nƣớc và không khí. Ở đây ta chỉ nghiên cứu làm nguội đến nhiệt độ thƣờng. Ta có thể làm nguội trực tiếp hoặc gián tiếp. 7.3.1.Làm nguội trực tiếp a. làm lạnh bằng nƣớc đá Để giảm nhiệt độ của chất lỏng một cách nhanh chóng đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ trong phòng thì ta cho nƣớc đá hoặc nƣớc lạnh trộn trực tiếp vào chất lỏng cần làm nguội. Phƣơng pháp làm nguội này chỉ dùng trong trƣờng hợp chất lỏng cần làm nguội không tác dụng hoá học với nƣớc và đƣợc phép pha loãng. b. Phƣơng pháp tự bay hơi Khi để chất lỏng nóng trong một bình hở, song song với quá trình truyền nhiệt qua thành bình còn có quá trình tự bay hơi trên bề mặt của chất lỏng. Khi tự bay hơi chất lỏng phải lấy đi một lƣợng nhiệt, do đó nhiệt độ trong toàn khối chất lỏng giảm xuống. c. Làm nguội khí Quá trình làm nguội khí kèm theo tác dụng rửa sạch khí, cho khí nóng vào tháp rỗng từ dƣới lên, nƣớc hoặc chất lỏng đƣợc tƣới từ trên xuống. Trong quá trình tiếp xúc giữa hai pha, khí sẽ giảm nhiệt độ, đồng thời nếu có bụi sẽ bị nƣớc cuốn trôi ra ngoài, có thể dùng chất lỏng hoặc nƣớc để làm nguội khí với điều kiện là chất lỏng không hấp thụ khí. 7.3.2. Làm nguội gián tiếp Trong công nghiệp hoá chất phần lớn ngƣời ta tiến hành làm nguội các chất lỏng và khí gián tiếp, nghĩa là quá trình truyền nhiệt giữa chất cần làm nguội và chất làm nguội đƣợc tiến hành qua tƣờng ngăn trong thiết bị trao đổi nhiệt, tác nhân làm nguội đƣợc dùng nhiều nhất là nƣớc và không khí. Nếu nhiệt độ cần phải đạt thấp hơn từ 150÷300C thì ta dùng tác nhân có nhiệt độ thấp nhƣ nƣớc muối lạnh. Cấu tạo thiết bị làm nguội giống nhƣ thiết bị đun nóng, nhƣng khi tiến hành quá trình làm nguội cần phải chú ý đến việc chọn chiều lƣu thể, vì cả hai 67
  68. lƣu thể cùng thay đổi nhiệt độ, do vậy tốt nhất cho hai lƣu thể chuyển động ngƣợc chiều, mặt khác cũng cần chọn nhiệt độ t2c sao cho thích hợp. Nếu làm việc ngƣợc chiều, thƣờng thì nhiệt độ t2c thấp hơn nhiệt độ ban đầu của chất 0 0 lỏng nóng t1đ khoảng từ 5 ÷35 C. Nếu chọn nhiệt độ t2c cao quá thì bề mặt trao đổi nhiệt sẽ lớn, nếu chọn t2c thấp thì lƣợng tác nhân làm nguội sẽ tăng. Do đó tuỳ điều kiện cụ thể mà ta 0 0 so sánh. Nếu dùng nƣớc để làm nguội thì lấy t2c ≤ 40 ÷50 C để chọn t2c cho thích hợp. 7.4. Ngƣng tụ Ngƣng tụ là quá trình chuyển hơi sang trạng thái lỏng, quá trình này có thể tiến hành bằng hai cách: - Làm nguội hơi hoặc khí. - Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời. Trong phần này ta chỉ xét ngƣng tụ bằng cách làm nguội hơi hoặc khí nóng bằng nƣớc hoặc không khí lạnh để làm nguội. Nếu dùng nƣớc để lấy nhiệt cho hơi ngƣng tụ có thể tiến hành theo hai phƣơng pháp: - Ngƣng tụ gián tiếp, hay còn gọi là ngƣng tụ bề mặt, nghĩa là quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi và nƣớc qua tƣờng ngăn trong thiết bị trao đổi nhiệt. Hơi đƣợc ngƣng tụ trên bề mặt trao đổi nhiệt. - Ngƣng tụ trực tiếp, hay gọi là ngƣng tụ hỗn hợp, tức là cho nƣớc và hơi tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hơi cấp ẩn nhiệt ngƣng tụ cho nƣớc và ngƣng tụ lại. Nƣớc lấy nhiệt của hơi nƣớc nóng lên, cuối cùng tạo thành hỗn hợp chất lỏng đã ngƣng tụ với nƣớc. 7.4.1. Ngƣng tụ gián tiếp Trong các thiết bị ngƣng tụ gián tiếp, thƣờng ngƣời ta cho hơi và nƣớc đi ngƣợc chiều nhau, nƣớc làm lạnh cho đi từ dƣới lên để tránh dòng đối lƣu tự nhiên cản trở sự chuyển động của lƣu thể, hơi đi từ trên xuống để chất lỏng ngƣng tụ chảy tự do đi ra ngoài dễ dàng. Đối với thiết bị đun nóng gián tiếp có thể sử dụng cho quá trình ngƣng tụ đƣợc. Nếu nhƣ quá trình ngƣng tụ thực hiện đối với hơi bão hoà, và chất lỏng sau khi ngƣng tụ không bị làm nguội xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của hơi bão hoà thì tính toán bề mặt truyền nhiệt đơn giản. Nếu nhƣ hơi ngƣng tụ là hơi quá nhiệt và chất lỏng ngƣng tụ cần làm nguội đến nhiệ độ thấp hơn nhiệt 68
  69. độ hơi bão hoà thì tính toán bề mặt truyền nhiệt phức tạp hơn. Khi đó ta phải chia ra ba bƣớc để tính: Bƣớc 1: Làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ hơi bão hoà. Bƣớc 2: Ngƣng tụ hơi bão hoà ở nhiệt độ hơi bão hoà không đổi. Bƣớc 3: Làm lạnh chất ngƣng tụ đến nhiệt độ cần thiết. Tính toán cân băng vật chất, và nhiệt lƣợng của quá trình ngƣng tụ: Ta ký hiệu: Q- nhiệt lƣợng trao đổi trong quá trình ngƣng tụ [W] Q1- Lƣợng nhiệt lấy đi để làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ hơi bão hoà [W] Q2 - Lƣợng nhiệt toả ra khi hơi ngƣng tụ [W] Q3 - Lƣợng nhiệt toả ra khi làm nguội chất lỏng ngƣng [W] R - ẩn nhiệt ngƣng tụ của hơi [J/kg] D -Lƣợng hơi ngƣng tụ [kg/s] W - lƣợng nƣớc lạnh đƣa vào [kg/s]. Cp - nhiệt dung riêng trung bình của hơi quá nhiệt [J/kg.độ]. C1 - nhiệt dung riêng trung bình của chất lỏng ngƣng [J/kg.độ] Cn - nhiệt dung riêng trung bình của nƣớc lạnh [J/kg.độ] t1đ - nhiệt độ đầu của hơi quá nhiệt 69
  70. t1c - nhiệt độ cuối củachất lỏng ngƣng tụ tbh nhiệt độ của hơi nƣớc bão hoà. t2đ,t2c- nhiệt độ đầu và cuối của nƣớc làm nguội. Phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng nhƣ sau: Q1 = DCp(t1đ – t1bh) Q2 = Dr Q3 = D.C1(tbh – t1c) WC2(t2c – t2đ) = Q1 + Q2 + Q3 =Q Trong trƣờng hợp ngƣng tụ hơi bão hoà ở nhiệt độ không đổi thì Q1 =0, Q3=0. Từ phƣơng trình trên ta có phƣơng trình tính lƣợng nƣớc lanh đƣa vào thiết bị nhƣ sau: Q W [kg/s] C (t t ) 2 2c 2d Vậy với mỗi giai đoạn của quá trình cần có bề mặt truyền nhiệt tƣơng ứng 2 F =F1 =F2 =F3 [m ] F1 - diện tích bề mặt truyền nhiệt tƣơng ứng giai đoạn 1: Q1 2 F1 = [m ] K1Δttb1 F2 - diện tích bề mặt truyền nhiệt tƣơng ứng giai đoạn 2: Q2 2 F2 = [m ] k2Δttb2 F3 - diện tích bề mặt truyền nhiệt tƣơng ứng giai đoạn 3: Q3 2 F3 = [m ] kΔtb3 K1, K2, K3 -hệ số truyền nhiệt của ba giai đoạn. Δ tTb1, tTb2 Δ tTb3 - Hiệu số nhiệ độ trung bình ba giai đoạn tƣơng ứng. 7.4.2. Ngƣng tụ trực tiếp Nguyên tắc cơ bản trong các thiết bị ngƣng tụ trực tiếp là ta phun nƣớc vào trong hơi, hơi tỏa ra ẩn nhiệt đun nóng nƣớc và ngƣng tụ lại. Do vậy thiết bị ngƣng tụ trực tiếp chỉ để ngƣng tụ hơi nƣớc hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị kinh tế hoặc không tan trong nƣớc, vì chất lỏng ngƣng tụ sẽ trộn lẫn với nƣớc làm nguội. Để tăng hiệu quả quá trình ta cần phải có bề mặt tiếp xúc lớn. Vì thế ngƣời ta thƣờng cho nƣớc phun qua những vòi phun hoặc cho chảy qua nhiều tấm ngăn có lỗ nhỏ. 70
  71. Ngƣng tụ trực tiếp đƣợc dùng nhiều trong công nghiệp hoá chất vì có ƣu điểm năng suất cao, cấu tạo đơn giản và dễ dàng chống ăn mòn. Tuỳ theo cách làm việc của thiết bị mà ta chia ra hai loại: thiết bị loại ƣớt và loại khô. Đặc điểm khác nhau của hai loại này nhƣ sau; Thiết bị loại ƣớt, chất lỏng ngƣng tụ, nƣớc làm nguội, và khí không ngƣng đƣợc dẫn ra cùng một đƣờng bằng bơm. -Thiết bị loại khô, thì nƣớc ngƣng và nƣớc làm nguội đƣợc dẫn chung một đƣờng,còn khí không ngƣng đƣợc hút ra theo một đƣờng khác. Ngoài ra ngƣời ta còn dựa vào chiều chuyển động của hai lƣu thể mà ta phân ra thiết bị ngƣng tụ ngƣợc chiều, xuôi chiều, hoặc dựa vào chiều cao mà ta gọi thiết bị ngƣng tụ loại thấp loại cao. a. Thiết bị ngƣng tụ trực tiếp loại khô xuôi chiều. Sơ đồ nguyên tắc làm việc của thiết bị loại khô xuôi chiều (hình 9-14). Hơi đi vào thiết bị từ trên xuống, nƣớc ở trong bầu nƣớc quanh thân thiết bị đƣợc hút vào thân do áp suất trong thiết bị là áp suất chân không. Nƣớc đƣợc hút qua vòi phun 2, vào thiết bị ở dạng hạt mù, tiếp xúc với hơi từ trên xuống. Nƣớc và chất lỏng đã ngƣng tụ đƣợc bơm ra ngoài bằng bơm ly tâm 3. khí không ngƣng đƣợc bơm tia 4 hút ra ngoài. Khi độ chân không trong thiết bị quá cao, bơm ly tâm không làm việc đƣợc, hỗn hợp nƣớc và chất lỏng ngƣng 71
  72. tụ không tháo ra ngoài đƣợc tích tụ lại dâng dần lên trong thiết bị, do đó phao 5 đƣợc nâng lên và van 6 mở ra không khí bên ngoài tràn vào làm giảm độ chân không trong thiết bị, tạo điều kiện cho bơm ly tâm tiếp tục làm việc trở lại bình thƣờng, khi đó mực nƣớc hạ xuống, phao 5 trở về vị trí cũ, van 6 đóng lại. *Ƣu điểm của thiết bị này là gọn nhẹ. *Nhƣợc điểm: năng suất tƣơng đối nhỏ, thiết bị này thƣờng dùng trong trƣờng hợp nƣớc tháo ra còn đƣợc đƣa đi sử dung lại. b. Thíêt bị ngƣng tụ loại khô ngƣợc chiều Thiết bị ngƣng tụ barômét. Sơ đồ cấu tạo trên hình( 7-15) thiết bị ngƣng tụ barômét gồm thân hình trụ 1, bên trong có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (hoặc hình viên phân) số 2 có đục nhiều lỗ nhỏ, và ống barômét 5 để tháo nƣớc và chất lỏng đã ngƣng tụ ra ngoài, bơm chân không dùng để hút khí không ngƣng ra khỏi thiết bị. Nguyên tắc làm việc: Hơi từ thiết bị cô đặc hoặc kết tinh đi vào thiết bị qua cửa số 6 đi từ dƣới lên, còn nƣớc lạnh đƣợc đƣa vào qua cửa số 7 chảy 72
  73. từ trên xuống, nƣớc chảy tràn qua cạnh tấm ngăn và đồng thời một phần chui qua lỗ của tấm ngăn từ tấm trên xuống tấm dƣới tiếp xúc với hơi và làm ngƣng tụ. Hỗn hợp nƣớc làm nguội và chất lỏng đã ngƣng tụ chảy xuống ống barômét, khí không ngƣng đi lên qua thiết bị thu hồi bọt 3.Tác dụng của thiết bị thu hồi bọt là để dữ lại những hạt nƣớc bị khí không ngƣng cuốn theo, những hạt nƣớc này lắng lại trong thiết bị 3 và tập trung chảy sang ống barômét. Khí không ngƣng hoặc không khí đƣợc hút ra ngoài qua bơm chân không 4. Ống barômét thƣờng cao khoảng 11 mét để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nƣớc cũng không bị dâng lên làm ngập thiết bị. *Ƣu điểm: Nƣớc tự chảy ra đƣợc không cần bơm nên tốn ít năng lƣợng, năng suất cao. Trong công nghiệp hoá chất thiết bị này đƣợc dùng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi. *Nhƣợc điểm: Thiết bị cồng kềnh. c. Thiết bị ngƣng tụ loại ƣớt xuôi chiều Cấu tạo thiết bị (7-16): gồm có thân hình trụ 1 trong có nhiều tấm chắn số 3 hình viên phân, có đục nhiều lỗ nhỏ đặt so le nhau. Nguyên tắc làm việc: Ngƣời ta cho hơi nƣớc đi vào thiết bị từ đỉnh thiết bị xuống, nƣớc đƣợc phun qua vòi hoa sen 2 từ dƣới lên tiếp xúc trực tiếp với hơi và xảy ra quá trình truyền nhiệt, hơi nƣớc bị ngƣng tụ chảy qua các ngăn từ trên xuống dƣơí đáy thiết bị rồi ra ngoài, còn khí không ngƣng cũng đƣợc hút ra ở phía dƣới đáy thiết bị bằng bơm không khí ƣớt. Loại này chỉ dùng trong trƣờng hợp không thể đặt đƣợc ống barômét. 73
  74. 7.4.3. Tính lƣợng nƣớc tƣới vào thiết bị ngƣng tụ. Dựa vào phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng: D.I + Wc t2đ = C (D+ W) t2c Từ đó rút ra: D(I C.t2c ) W= [kg/s]. (9-3) C(t2c t2 ) Trong đó: W–lƣợng nƣớc làm nguội tƣới vào thiết bị, [kg/s]. D –lƣợng hơi ngƣng tụ đi vào thiết bị [kg/s]. I –nhiệt lƣợng riêng của hơi ngƣng tụ [J/kg] 0 t2đ,t2c –nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của nƣớc làm nguội [ C]. c–nhiệt dung riêng của nƣớc [J/kg.0C] Các kích thƣớc chủ yếu của thiết bị ngƣng tụ barômét. Đƣờng kính của thiết bị ngƣng tụ xác định dựa vào lƣợng hơi ngƣng tụ và tốc độ của hơi đi trong thiết bị. Tốc độ hơi phụ thuộc vào cách phân phối nƣớc trong thiết bị. Nếu thiết bị làm việc ở áp suất từ 0,1 0,2at thì tốc độ hơi khoảng từ 35 đến 55m/s. Khi chọn năng thiết bị ngƣng tụ ngƣời ta thƣờng lấy lớn hơn gấp rƣỡi năng suất thực tế của nó, khi đó đƣờng kính trong của thiết bị đƣợc tính theo công thức sau. Dv 1/ 2 d 0,023 h t W [m] h Trong đó: dt -đƣờng kính trong của thiết bị ngƣng tụ. m; D -lƣợng hơi ngƣng tụ, kg/s; 3 Vh -thể tích riêng của hơi, m /kg; W h-vận tốc hơi đi trong thiết bị ngƣng tụ, m/s; Tấm ngắn có dạng hình viên phân (hình 7-17). -chiều rộng tấm ngăng đƣợc xác định theo công thức sau: d1 a = + 50 mm. 2 Trong đó; dt -đƣờng kính trong của thiết bị ngƣng tụ. mm; 74
  75. Đƣờng kính lỗ trên bề mặt tấm ngăn lấy bằng 2 mm, nếu là nƣớc sạch, trong trƣờng hợp nƣớc bẩn lấy là 5 mm, chiều cao cạnh gờ tấm ngăn lấy bằng 40mm. Tổng số bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt ngang của thiết bị ngƣng tụ, nghĩa là trên một cặp tấm ngăn là: W f = , [m2] 3600 .Wc Trong đó: W-lƣợng nƣớc, m3/h Wc -tốc độ tia nƣớc, m/s. Lƣu lƣơng nƣớc phụ thuộc vào lƣơng hơi ngƣng tụ và thƣờng thay đổi trong giới hạn từ 15 đến 60D Tốc độ Wc của tia khi chiều cao của mép tấm ngăn bằng 40mm, có thể lấy bằng 0,62 m/s. Lấy các lỗ xếp theo hình lục giác dƣới một góc 60o, ta có thể xác định bƣớc của các lỗ bẳng công thức: f 1 t = 0,866d ( ) 2 f k d- đƣờng kính của lỗ, mm. f -tỷ số giữa tổng số tiết diện của lỗ với tiết diện của thiết bị ngƣng tụ, ta f k lấy bằng 0,025 0,1, Chiều cao của thiết bị ngƣng tụ ngƣời ta chọn khoảng cách trung bình giữa các ngăn và tổng số chiều cao hữu ích của thiết bị ngƣng tụ. Thông thƣờng ngƣời ta chọn chiều cao thiết bị ngƣng tụ và khoảng cách giữa các tấm ngăn, khoảng cách giữa các tấm ngăn có thể lấy băng 400 mm, khoảng cách giữa các bậc (mỗi bậc có hai đĩa liền nhau) 800 mm, số tấm (đĩa) n= từ 6 7 tấm. Theo tiêu chuẩn thì đƣờng kính thiết bị ngƣng tụ barômét có đƣờng kính ngoài 500, 600, 800, 1000, 1200, 1600, 2000 mm. *Chiều cao thiết bị ngƣng tụ: -Chọn khoảng cách giữa các tấm ngăn tùy thuộc vào mức độ đun nóng, và xác định theo công thức sau: t 2c t 2d P = tbh t 2d 75