BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỰ ĐỘNG HĨA GIÁO TRÌNH Mơn học: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: 979/QĐ-CĐVX-ĐT ngày 12 tháng 12 năm 2019 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Việt Xơ Nình Bình, năm 2019 TUN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Cơ sở kỹ thuật nhiệt giáo trình biên soạn dạng tổng quát cho học sinh, sinh viên ngành lạnh từ kiến thức kiến thức chuyên sâu Do có số nội dung mang tính chung khơng vào cụ thể Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có kiến thức chung hữu ích cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu Mặc khác giáo trình đưa vào nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề va chạm thực tế Ngoài giáo trình sử dụng cho khối khơng chun muốn tìm hiểu thêm ngành nhiệt lạnh điều hịa khơng khí Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Tham gia biên soạn Chủ biên: Hoàng Thị Hoài Thu Ủy viên: Phạm Tiến Dũng Ủy viên: Phạm Thành Nhơn MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIỚI Các khái niệm định nghĩa 1.1 Hệ thống thiết bị nhiệt 1.2 Hệ nhiệt động (HNĐ) 1.3 Khí lý tưởng, khí thực Thơng số trạng thái chất môi giới 2.1 Trạng thái thông số trạng thái 2.2 Nhiệt độ tuyệt đối 2.3 Áp suất tuyệt đối 2.4 Thể tích riêng khối lượng riêng 2.5 Nội Phương trình trạng thái chất khí lý tưởng 3.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 3.2 Phương trình trạng thái khí thực CHƯƠNG NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ TÍNH NHIỆT LƯỢNG THEO NHIỆT DUNG RIÊNG Nhiệt công 1.1 Nhiệt lượng 1.2 Công Nhiệt dung riêng 2.1 Định nghĩa 2.2 Phân loại 2.3 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng CHƯƠNG ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG THỨ NHẤT VÀ CÁC Q TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ Định luật nhiệt động thứ 1.1 Định luật nhiệt động I 1.2 Phương trình định luật nhiệt động I Qúa trình hỗn hợp chất khí 2.1 Hỗn hợp khí thể tích cho 2.2 Hỗn hợp theo dịng 2.3 Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định Các qúa trình nhiệt động khí lý tưởng 3.1 Q trình đẳng tích 3.2 Q trình đẳng áp 3.3 Quá trình đẳng nhiệt CHƯƠNG HƠI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA HƠI 2 9 9 10 11 11 11 11 12 13 13 13 13 15 15 15 15 16 16 16 17 18 18 18 18 19 20 20 21 21 21 22 24 26 Các thể (pha) vật chất 1.1 Qúa trình thăng hoa ngưng kết 1.2 Q trình nóng chảy đơng đặc 1.3 Q trình hóa ngưng tụ 1.4 Một số định nghĩa trạng thái môi chất Quá trình hóa đẳng áp 2.1 Mơ tả q trình 2.2 Các đường giới hạn miền trạng thái nước Xác định trạng thái bão hịa ẩm 3.1 Bảng thơng số trạng thái nước nước bão hòa theo nhiệt độ 3.2 Bảng thông số trạng thái nước nước bão hòa theo áp suất CHƯƠNG DẪN NHIỆT Các khái niệm định nghĩa 1.1 Dòng nhiệt mật độ dòng nhiệt 1.2 Các phương thức trao đổi nhiệt Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng 2.1 Định luật fourier dẫn nhiệt 2.2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng 2.3 Dẫn nhiệt qua vách trụ CHƯƠNG TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU, BỨC XẠ Trao đổi nhiệt đối lưu 1.1 Các khái niệm định nghĩa 1.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu 1.3 Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp Trao đổi nhiệt xạ 2.1 Các khái niệm định nghĩa 2.2 Dòng nhiệt trao đổi xạ vật 2.3 Bức xạ mặt trời (nắng) CHƯƠNG TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Truyền nhiệt tổng hợp 1.1 TĐN phức hợp vật rắn môi trường 1.2 Cân nhiệt cho hệ TĐN phức hợp Truyền nhiệt qua vách phẳng 2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp 2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt 3.1 Tăng cường truyền nhiệt 3.2 Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 26 26 26 27 27 27 28 29 30 31 36 36 36 36 37 37 38 40 43 43 43 44 45 52 52 56 56 59 59 59 59 59 59 59 60 60 61 62 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ KỸ THUẬT NHIỆT Mã mơn học: MH10 Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt Mã môn học: MH 10 Thời gian thực môn học: 45 Kiểm tra: giờ) (Lý thuyết: 22 giờ; Thực hành: 19 giờ: I Vị trí, tính chất mơn học - Vị trí: Mơn học bố trí học sau môn học chung học trước mơn học, mơ đun chun mơn - Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở II Mục tiêu môn học - Về kiến thức: Trang bị cho học sinh kiến thức kỹ thuật nhiệt; - Về kỹ năng: Học sinh cần đạt kỹ tra bảng thông số trạng thái môi chất, sử dụng đồ thị, biết chuyển đổi số đơn vị đo giải số tập đơn giản; - Về lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện khả tư logic sinh viên; ứng dụng thực tế vận dụng để tiếp thu kiến thức chuyên ngành III Nội dung môn học Thời gian (giờ) Thực Kiểm hành, tra thí TT Tên chương/ mục Tổng Lý nghiệm số thuyết , thảo luận, Bài tập I Chương 1: Chất môi giới thông số trạng thái chất môi giới Các khái niệm định nghĩa 1 1.1 Hệ thống thiết bị nhiệt 1.2 Hệ nhiệt động 1.3 Khí lí tưởng, khí thực 1 Thông số trạng thái chất môi giới 2.1 Trạng thái thông số trạng thái 2.2 Nhiệt độ tuyệt đối 2.3 Áp suất tuyệt đối 2.4 Thể tích riêng khối lượng riêng 2.5 Nội Phương trình trạng thái chất khí lý tưởng 3.1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 3.2 Phương trình trạng thái khí thực Chương 2: Nhiệt dung riêng tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Nhiệt công 1.1 Nhiệt lượng 1.2 Cơng 1.2.1 Cơng thay đổi thể tích 1.2.2 Công kỹ thuật Nhiệt dung riêng 2.1 Định nghĩa 2.2 Phân loại 2.3 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng Chương 3: Định luật nhiệt động thứ q trình chất khí 1.Định luật nhiệt động thứ 1.1 Định luật nhiệt động I 1.2 Phương trình định luật nhiệt động I Q trình hỗn hợp khí 2.1 Hỗn hợp theo thể tích cho 2.2 Hỗn hợp theo dịng 2.3 Hỗn hợp nạp vào thể tích cố định Các qúa trình nhiệt động khí lý tưởng 3.1 Q trình đẳng tích 3.2 Q trình đẳng áp 3.3 Quá trình đẳng nhiệt Kiểm tra Chương 4: Hơi thông số trạng thái Các thể (pha) vật chất 1.1 Quá trình thăng hoa ngưng kết 1.2 Q trình nóng chảy đông 4 2 1 1 1 1 1 3 1 1 đặc 1.3 Q trình hóa ngưng tụ 1.4 Một số định nghĩa trạng thái mơi chất Q trình hóa đẳng áp 2.1 Mơ tả q trình 2.2 Các đường giới hạn miền trạng thái nước hơi; Xác định trạng thái bão hòa ẩm 3.1 Bảng thông số trạng thái nước nước bão hịa theo nhiệt độ 3.2 Bảng thơng số trạng thái nước nước bão hòa theo áp suất Chương 5: Dẫn nhiệt 1.Các khái niệm định nghĩa 1.1 Dòng nhiệt mật độ dòng nhiệt 1.2 Các phương thức trao đổi nhiệt Dòng nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng 2.1 Định luật fourier dẫn nhiệt 2.2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng 2.3 Dẫn nhiệt qua vách trụ Kiểm tra Chương 6: Trao đổi nhiệt đối lưu, xạ Trao đổi nhiệt đối lưu 1.1 Các khái niệm định nghĩa 1.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu 1.3 Một số hình thức trao đổi nhiệt đối lưu thường gặp Trao đổi nhiệt xạ 2.1 Các khái niệm định nghĩa 2.2 Dòng nhiệt trao đổi xạ vật 2.3 Bức xạ mặt trời (nắng) Chương 7: Truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt Truyền nhiệt tổng hợp 1.1 TĐN phức hợp vật rắn 1 1 4 2 2 1 1 môi trường 1.2 Cân nhiệt cho hệ TĐN phức hợp Truyền nhiệt qua vách phẳng 2.1.Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp 2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt 3.1 Tăng cường truyền nhiệt 3.2 Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt Kiểm tra Cộng 3 45 22 19 CHƯƠNG 1: CHẤT MÔI GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT MÔI GIỚI Mã chương: MH10 - 01 Giới thiệu: Chương cung cấp cho sinh viên học sinh kiến thức ban đầu chất môi giới thông số trạng thái chất mơi giới Mục tiêu: - Trình bày kiến thức chung kỹ thuật Nhiệt - Lạnh - Phân tích khái niệm nhiệt động lực học - Trình bày kiến thức thông số trạng thái - Trình bày trình nhiệt động - Trình bày chu trình nhiệt động - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào mơn học cho HSSV Nội dung chính: Các khái niệm định nghĩa 1.1 Hệ thống thiết bị nhiệt Là loại thiết bị có chức chuyển đổi nhiệt Thiết bị nhiệt chia thành nhóm: động nhiệt máy lạnh * Động nhiệt: Có chức chuyển đổi nhiệt thành động nước, turbine khí, động xăng, động phản lực, v.v * Máy lạnh: Có chức chuyển nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng 1.2 Hệ nhiệt động (HNĐ) Là hệ gồm nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất vật HNĐ gọi mơi trường xung quanh Hình 1.1: Ngun lý làm việc động nhiệt máy lạnh, bơm nhiệt Vật thực tưởng tượng ngăn cách hệ nhiệt động với môi trường xung quanh gọi ranh giới HNĐ Hệ nhiệt động phân loại sau : Hình 1.2: Hệ nhiệt động a) HNĐ kín với thể tích khơng đổi b) HNĐ kín với thể tích thay đổi c) HNĐ hở * Hệ nhiệt động kín: HNĐ khơng có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh * Hệ nhiệt động hở: HNĐ có trao đổi vật chất hệ môi trường xung quanh * Hệ nhiệt động cô lập: HNĐ cách ly hồn tồn với mơi trường xung quanh 1.3 Khí lý tưởng, khí thực Khí lý tưởng chất khí mà phân tử có đặc tính sau đây: Hình 1.31: Chất lỏng chảy ngang qua ống Khi chất lỏng tf chảy cưỡng với vận tốc  , lệch góc  so với trục ống có đường kính ngồi d, nhiệt độ tw cơng thức thực nghiệm có dạng: * Khi 103 < Ref < 2.105 , 25 Pr f  [1-83] 0, , 38     Nu f  0,25 Re f Pr f   Prw  , Với khơng khí: Nu f  0,216 Re f  * Khi < Ref < 10 Nu f  0,5 Re 0,5 f Pr - Với khơng khí: , 38 f  Pr f     Prw  , 25  Nu f  0,43 Re 0f,5  Kích thước tính tốn: đường kính ngồi ống Nhiệt độ tính tốn: nhiệt độ chất lỏng tf Hệ số ảnh hưởng góc va đập (góc tới) dịng  (tra theo đồ thị hình dưới) ống: Hình 1.32: Ảnh hưởng góc  tỏa nhiệt + Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy ngang qua chùm * Các trường hợp chùm ống: Bố trí song song; Bố trí so le * Đặc tính chùm ống: Bước ống ngang tương đối s1/d; Bước ống dọc tương đối s2/d Hình 1.33: Cụm ống song song * Tính tốn trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, lỏng chảy qua chùm ống: Khi 103 < Ref < 105 Với chùm ống song song: , 25 Pr f  , 65 , 35      s Nu f  0,26 Re f Pr f  Pr 0, 65  w Với khơng khí: Nu f  0,21Re f  s Hình 1.34: Cụm ống so le Với chùm ống so le: Nu f  0,41 Re Với khơng khí: 0, f Pr , 33 f  Pr f     Prw  , 25  s Nu f  0,37 Re 0f,6  s - Kích thước xác định: đường kính ngồi ống - Nhiệt độ xác định: nhiệt độ chất lỏng tf - Tốc độ xác định: tiết diện hẹp - Hệ số ảnh hưởng góc va đập (góc tới) dịng  - Hệ số ảnh hưởng bước ống s * Hệ số ảnh hưởng bước ống: 0,15 s  - Với chùm ống song song: s     sd1  - Với chùm ống so le:  s    Khi s1/s2 <  s2   s  1,12 Khi s1/s2  * Đối với dãy ống thứ thứ - Với chùm ống song song: - Với chùm ống so le: 1  0,6 ;   0,9 1  0,6 ;   0,7 * Hệ số toả nhiệt trung bình chùm ống:  1    n   n Tỏa nhiệt sôi ngưng hơi: a) Khái niệm chung: Trong mục 2.2.3 nghiên cứu q trình tỏa nhiệt chất lỏng mơi trường pha, tức khơng có biến đổi từ pha sang pha khác trình trao đổi nhiệt Trong kỹ thuật gặp nhiều trường hợp q trình trao đổi nhiệt có kèm theo q trình biến đổi pha như: bình ngưng Tuabin ngưng hay thiết bị ngưng tụ hệ thống lạnh có q trình trao đổi nhiệt kèm theo q trình chuyển từ pha sang pha lỏng, hay trình trao đổi nhiệt xảy Lò chu trình Tuabin hơi, thiết bị bay hệ thống lạnh có kèm theo q trình chuyển từ pha lỏng sang pha Trong thiết bị kỹ thuật ta thường gặp trao đổi nhiệt sôi ngưng b) Tỏa nhiệt sơi: + Sơi: Là q trình biến đổi từ pha lỏng sang pha xảy toàn khối chất lỏng Điều kiện để xảy q trình sơi chất lỏng phải q nhiệt đến nhiệt độ tf lớn nhiệt độ sôi t s ứng với áp suất sôi định phải có tâm hóa + Những yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt sôi: - Ảnh hưởng độ chênh nhiệt độ Δt = tf – ts tf cao khả hình thành bọt nhiều, tăng độ khuấy động chất lỏng làm tăng cường độ trao đổi nhiệt Δt < 50C => Δt ảnh hưởng đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cường độ trao đổi nhiệt, q trình sơi đối lưu tự nhiên môi trường pha 50C Δt ảnh hưởng mạnh đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cường độ trao đổi nhiệt, trình sôi lúc gọi sôi bọt 22,20C Δt tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giảm, q trình sơi lúc gọi sôi màng không ổn định Δt > 1100C => q trình sơi lúc gọi sơi màng ổn định - Ảnh hưởng góc dính ướt: chất lỏng dính ướt bề mặt dễ sơi màng ngược lại chất lỏng khơng dính ướt bề mặt dễ sôi bọt - Ảnh hưởng áp suất: áp suất bão hịa cao hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lớn bọt sinh nhiều - Ảnh hưởng sức căng bề mặt độ nhớt chất lỏng: sức căng lớn số tâm hóa cường độ tỏa nhiệt giảm, hệ số nhớt tăng hệ số trao đổi nhiệt giảm - Ảnh hưởng trạng thái bề mặt đốt nóng: độ nhám bề mặt lớn tâm hóa nhiều - Ảnh hưởng tốc độ chuyển động chất lỏng cách bố trí bề mặt đốt nóng + Tính tốn tỏa nhiệt sơi: 1/  2   q /   b  Ts  2/3    ,,     1  10 , ,,         Trong đó: b = 0,075 Tính chất vật lý chọn theo nhiệt độ sôi Ts Khi sôi với khoảng áp suất p = 0,2 – 80 bar không gian tự nước:   46.t 2,33.q0,5 , W / m2 K 0, 0, Hoặc   3,45 p q ,W / m K Δt = tw – ts : tw : nhiệt độ bề mặt vách ts : nhiệt độ sơi q: mật độ dịng nhiệt c) Tỏa nhiệt ngưng: + Ngưng: Là trình độ biến trạng thái thành trạng thái lỏng trạng thái tinh thể, trình gắn liền với việc biến đổi pha Điều kiện để xảy trình ngưng nhiệt độ bề mặt vật rắn phải thấp nhiệt độ bão hòa áp suất tương ứng bề mặt vật rắn phải có tâm ngưng tụ + Những yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt ngưng: - Ảnh hưởng tốc độ phương hướng lưu động dòng hơi: Trường hợp ngưng ống đứng vách đứng, phương chuyển động dòng trùng với phương trọng trưng, bề dày màng nước ngưng có xu hướng giảm nên làm tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Khi dòng chuyển động ngược chiều với lực trọng trường, màng nước ngưng bị hãm lại, bề dày nước ngưng tăng làm giảm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Nếu tốc độ dòng đủ lớn màng nước bị bắn tung làm giảm nhiệt trở hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tăng - Ảnh hưởng khí khơng ngưng lẫn hơi: có lẫn khí khơng ngưng màng ngưng lỏng ngưng tụ cịn khí khơng ngưng tích tụ phía màng ngưng làm ngăn cản trình tiếp xúc với bề mặt vách, trình ngưng bị giảm đáng kể, lúc áp suất tăng nhanh gây nguy hiểm cho thiết bị - Q trình ngưng cịn phụ thuộc vào cách bố trí bề mặt ngưng - Ảnh hưởng trạng thái vật liệu bề mặt ngưng hơi: bề mặt nhám bề mặt có phủ lớp oxit hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giảm khoảng 20 – 30% + Tính tốn tỏa nhiệt ngưng: Ngưng vách đứng ống đứng có chiều cao H: r..g3   0,943 , W / m2 K  H (t s tw ) Ngưng ống nằm ngang có đường kính d:   0,724 r. g.3 ,W / m2 K  d (t s tw ) Trong đó: g (m/s2): gia tốc trọng trường λ (W/m độ): hệ số dẫn nhiệt chất lỏng r (J/kg.độ): nhiệt ẩn hóa ρ (kg/m3): khối lượng riêng chất lỏng υ (m2/s): độ nhớt động học chất lỏng Các thông số vật lý chọn theo tm = 0,5(tw + tf); r chọn theo ts Trao đổi nhiệt xạ 2.1 Các khái niệm định nghĩa Trao đổi nhiệt xạ trình trao đổi nhiệt thực sóng điện từ Tia nhiệt tia xạ vật hấp thụ biến thành nhiệt Quá trình phát sinh truyền tia nhiệt gọi trình xạ nhiệt Tia nhiệt gồm: Ánh sáng trông thấy ( = 0,4  0,8 m) Hồng ngoại ( = 0,8  400 m) * Đặc điểm q trình xạ nhiệt ln gắn liền với việc chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác Khi nhiệt vật biến thành lượng dao động điện từ truyền không gian với vận tốc ánh sáng, gặp vật khác phần tồn lượng bị hấp thụ biến thành nhiệt Năng lượng phần lại phát trở lại dạng lượng sóng điện từ q trình tiếp tục Như vật đồng thời phát hấp thụ lượng xạ từ vật khác chiếu đến * Nếu hệ gồm vật có nhiệt độ hệ trạng thái cân nhiệt động, trường hợp vật hệ xạ lượng cho đồng thời hấp thụ lượng xạ nhau, lượng xạ lượng hấp thu * Cường độ trao đổi nhiệt xạ phụ thuộc vào: Độ chênh nhiệt độ vật Nhiệt độ tuyệt đối vật * Trao đổi nhiệt xạ vật cịn xảy chân khơng Hình 1.35: Bức xạ nhiệt a) Các đại lượng đặc trưng trao đổi nhiệt xạ: Trong trường chung dòng lượng xạ từ bên chiếu đến vật khảo sát Q, bị vật hấp thụ phần Q A để biến thành nhiệt, phần bị phản xạ lại QR, phần xuyên qua vật QD Ta có: Q  QA  QR  QD QA QR QD   1 Q Q Q A R  D 1 Trong : A QA Q QR Q Q D D Q R Là hệ số hấp thụ Là hệ số phản xạ vật Hình 1.36: Sơ đồ phân bố dòng xạ Là hệ số xuyên qua vật Các hệ số A, R, D khơng có thứ nguyên biến đổi từ đến 1, trị số chúng phụ thuộc vào chất vật lý vật, nhiệt độ chiều dài bước sóng mà vật phát - Nếu A = (D = R = 0) vật có khả hấp thụ tồn lượng xạ chiếu tới gọi vật đen tuyệt đối - Nếu R = (D = A = 0) vật phản xạ toàn lượng xạ tới gọi vật trắng tuyệt đối (vật gương) - Nếu D = (A = R = 0) vật cho xuyên qua toàn lượng xạ tới gọi vật suốt tuyệt đối Trong thực tế khơng có vật đen tuyệt đối, vật gương, vật suốt tuyệt đối Đối với vật rắn thường gặp kỹ thuật coi D = 0, gọi vật đục - Dịng xạ: tổng lượng xạ phát từ diện tích F vật theo hướng khơng gian bán cầu đơn vị thời gian ứng với tồn chiều dài bước sóng ( =   ) Ký hiệu Q, đơn vị W - Dòng xạ đơn sắc: Q (từ  đến  + d ) - Năng suất xạ: dòng xạ ứng với đơn vị diện tích bề mặt dQ  E W / m2  dF Trong đó: dQ – dịng xạ tồn phần phát từ bề mặt phân tố dF - Cường độ xạ: suất xạ ứng với khoảng hẹp (đơn vị) chiều dài bước sóng I  W / m  dE d Năng suất xạ riêng: suất xạ thân vật Năng suất xạ hiệu dụng: Giả sử vật đục, thân phát lượng xạ gọi E1; lượng xạ từ vật xung quanh chiếu lên E t , lượng bị vật hấp thu phần A1Et phần lại (1-A1)Et bị phản hồi trở lại Ehd  E  1  AEt W / m  Et EA = AEt (1-A)Et T, A E Ehd = E + (1-A)Et Hình 1.37: Sơ đồ nguyên lý thành phần xạ b) Các định luật xạ nhiệt: * Định luật Planck: quan hệ cường độ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ chiều dài bước sóng C15 I 0  C e T  C1 = 0,374.10-15 [Wm2] C2 = 1,4388.10-12 [mK] : chiều dài bước sóng (m) T: nhiệt độ tuyệt đối vật (K) Hình 1.38:Đồ thị định Cơng thức Planck biểu diễn đồ thị hình Đồ thị E0 (,T) cho thấy E0 tăng nhanh theo T có giá trị đáng kể miền   (0.8  10).10-6 m Nhiệt độ tăng giá trị cực đại m quang phổ dịch phía bước sóng ngắn, quan hệ T m xác định theo định luật Wien: m T = 2.9 (mm.K) Hình 1.39: Đồ thị biểu diễn định luật Wien * Định luật Stefan - Boltzman: Năng suất xạ vật đen tuyệt đối tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa   C15 d E   I  d   C T e 1  T  E0   0T  C0    100  4 W/m  0 = 5,67.10-8 [W/m2K4] số xạ vật đen tuyệt đối C0 = 5,67 [W/m2K4] hệ số xạ vật đen tuyệt đối + Định luật Stefan - Boltzmann với vật xám:  T  E C   100  C - hệ số xạ vật xám   0 W/m   E   I  d    I 0 d    I 0 d  E0  T   E   C0   ; C   C0  100  * Định luật Kirchkoff: Các vật đục (D = 0; A + R = 1) có nhiệt độ tỉ số suất xạ hệ số hấp thụ suất xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ E1 E2    E0 A1 A2 E  E0 A  A Hay phát biểu sau: Trong điều kiện cân nhiệt động, tỉ số khả xạ hệ số hấp thu vật xám khả xạ vật đen tuyệt đối E0  T  C  C E 100      A  C0 E0  T  C0    100  2.2 Dòng nhiệt trao đổi xạ vật Bức xạ nhiệt hai mặt phẳng rộng vơ hạn, đặt song song nhau: Giả sử có hai phẳng rộng vô hạn đặt song song Tấm thứ có nhiệt độ T1, hệ số hấp thụ A1, thứ hai có nhiệt độ T2, hệ số hấp thụ A2 Giả sử T1>T2 yêu cầu tính lượng trao đổi nhiệt xạ hai điều kiện ổn định, nghĩa nhiệt độ phẳng T 1, T2 không đổi theo thời gian Năng lượng trao đổi nhiệt xạ hai tấm: q12  Ehd  Ehd   Ehd  E1  (1  A1 ) Ehd  Ehd  E2  (1  A2 ) Ehd   A2 E1  A1 E2  q12  A1  A2  A1 A2 Theo định luật Stefan - Boltzmann Kirchhof lượng xạ tính sau:  T1   E1   1C0  4     100   q   C  T1    T2   12 qd 4   100   100    T2   E   C0      100     qd  1    1 A 1     2.3 Bức xạ mặt trời (nắng) Khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời 149,6 triệu km Khoảng cách với tự quay làm cho Trái Đất nhận từ Mặt Trời lượng xạ phù hợp, tạo điều kiện cho sống Trái Đất tồn phát triển Phần lớn lượng mặt trời bị phân tán vào vũ trụ, phần nhỏ đến trái đất, "lượng nhỏ" lớn Cường độ xạ mặt trời thay đổi theo vĩ độ, mùa, ngày độ mây che phủ Cường độ xạ có tính chất gần giống với tia xạ phát từ vật đen tuyệt đối nhiệt độ gần 6000 K Trong đó, bao gồm vùng tia cực tím (Ultra-violet), vùng tia xạ nhìn thấy vùng tia hồng ngoại (Infra-red) Khi vào bầu khí quyển, xạ mặt trời bị: - Tán xạ chủ yếu phân tử khơng khí, nước, hạt nước, hạt bụi,… Kết quả: có khoảng 6% số tia xạ bị dội ngược ngồi khơng gian, 20% số tia đến bề mặt trái đất tia khuếch tán - Hấp thụ phân tử ozone (ở độ cao 40km, khoảng 3% tia xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu vùng tia cực tím) Các tia cực tím 0,29m: khả hấp thụ giảm xuống đáng kể Khi >0,35m: khơng cịn khả hấp thụ (Tuy nhiên, vùng lân cận bước sóng 0,6m ozone cịn khả hấp thụ ít) - Hấp thụ nước (ở độ cao thấp hơn, khoảng 14% tia xạ đến từ Mặt trời, chủ yếu vùng lân cận tia hồng ngoại, đặc biệt vùng lân cận bước sóng 1m, 1,4m 1,8m) - Khả hấp thụ tia xạ mây, CO2 oxygen nhỏ Hình 1.41: Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí trái đất Kết tia xạ có bước sóng lớn 0,23m đến bề mặt Trái đất Phần lượng xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất ngày quang đãng thời điểm cao vào khoảng 1000W/m2 Mặc dù toàn lượng chạm đến bầu khí Trái Đất xuất phát từ Mặt Trời lớn, khơng có mức độ tập trung cao Vì vậy, phương tiện bắt lấy lượng Mặt Trời phải chiếm diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu phần lượng cần thiết Chỉ vài thập niên gần đây, loài người bắt đầu tìm kiếm chế khai thác tiềm khổng lồ lượng Mặt Trời Ngày lượng mặt trời ứng dụng nhiều lĩnh vực từ nhu cầu sinh hoạt sản xuất như: sản xuất điện, điều hịa khơng khí, vận tải, cung cấp nước nóng sinh hoạt, cơng nghệ sấy CHƯƠNG TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Mã chương: MH10 – 07 Giới thiệu: Chương cung cấp cho sinh viên học sinh kiến thức trình truyền nhiệt tổng hợp thiết bị trao đổi nhiệt Mục tiêu: - Trình bày đặc điểm trình truyền nhiệt tổng hợp - Trình bày phương pháp tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt - Tính tốn thơng số q trình truyền nhiệt tổng hợp - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV Nội dung chính: Truyền nhiệt tổng hợp 1.1 TĐN phức hợp vật rắn môi trường Trong phần trước nghiên cứu riêng lẻ qui luật phương thức truyền nhiệt dẫn nhiệt, đối lưu xạ Thực tế có số trình kết hợp hai hay ba phương thức truyền nhiệt có ảnh hưởng tác động qua lại lẫn 1.2 Cân nhiệt cho hệ TĐN phức hợp Trong tính tốn thực tế thường tính theo dạng ảnh hưởng q trình, cịn ảnh hưởng dạng phụ khác đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh Ví dụ: q trình truyền nhiệt vật liệu xốp xem dẫn nhiệt chủ yếu cịn ảnh hưởng xạ đối lưu dùng biện pháp tăng hệ số dẫn nhiệt cách thích đáng Hay q trình trao đổi nhiệt tổng hợp bề mặt vật rắn chất lỏng, thường xem trao đổi nhiệt đối lưu dạng chủ yếu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bổ sung thêm thành phần xạ Truyền nhiệt qua vách phẳng Truyền nhiệt qua vách toán truyền nhiệt tổng hợp, nghiên cứu trình truyền nhiệt lượng từ lưu chất đến lưu chất khác qua bề mặt vật rắn ngăn cách Trong trường hợp trao đổi nhiệt tác dụng đồng thời phương thức truyền nhiệt trình bày định 2.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp R 1    R q  k t f  t f  2 m K / W  k W/m  2.2 Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Bài toán truyền nhiệt qua vách phẳng n lớp có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k mật độ dịng nhiệt tính theo công thức sau: R k 1 n  1  R 1    2 m K / W W/m K  n  q  k t f  t f      2 t 1 f1 n tf2     2 W/m  Hình 1.42: Quá trình tuyền nhiệt qua vách phẳng Tăng cường truyền nhiệt cách nhiệt Khi giải vấn đề thực tế truyền nhiệt, số trường hợp cần tăng cường truyền nhiệt số trường hợp yêu cầu ngược lại làm giảm truyền nhiệt Muốn thực vấn đề cần phải dựa vào phương thức truyền nhiệt trình bày để tìm biện pháp có hiệu 3.1 Tăng cường truyền nhiệt Giảm chiều dày vách tăng hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm giảm nhiệt trở vách Tăng cường nhiễu loạn tăng tốc độ chuyển động lưu chất tăng cường độ tỏa nhiệt, sơi dung biện pháp tăng cường nhiễu loạn làm chất bẩn bề mặt để tăng cường truyền nhiệt, cuối bề mặt xạ nhiệt tìm cách tăng độ đen nhiệt độ để tăng cường trao đổi nhiệt xạ Trong trình truyền nhiệt, phương thức truyền nhiệt đồng thời xảy làm tăng cường truyền nhiệt cách có hiệu vấn đề phức tạp, vấn đề sau phân tích kỹ trường hợp cụ thể tìm giải pháp tối ưu Để phân tích trường hợp việc nắm vững công thức truyền nhiệt cần thiết Vì thơng qua cơng thức dự tính ảnh hưởng nhân tố tìm khả biện pháp xác giải vấn đề 3.2 Hạn chế truyền nhiệt hay cách nhiệt Trường hợp muốn làm giảm truyền nhiệt nói chung cần phải tìm cách tăng nhiệt trở Thông thường thực cách bọc thêm lớp cách nhiệt – loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt bé – lớp phụ dung để làm giảm tổn thất nhiệt môi trường xung quanh Việc lựa chọn loại vật liệu cách nhiệt cho phù hợp phải xét quan điểm kỹ thuật – kinh tế – vệ sinh an toàn TÀI LIỆU THAM KHẢO Hà Đăng Trung, Nguyễn Qn Giáo trình thơng gió điều tiết khơng khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 1993 Hà Đăng Trung, Nguyễn Quân Cơ sở kỹ thuật điều hồ khơng khí Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, năm1997 Lê Chí Hiệp Kỹ thuật điều hồ khơng khí Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, HàNội, năm1998 Trần Ngọc Chấn Kỹ thuật thơng gió Nhà xuất xây dựng, Hà Nội, năm1998 5.Võ Chí Chính Giáo trình điều hịa khơng khí Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2005 Nguyễn Đức Lợi Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều hịa khơng khí Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2003 Bùi Hải, Hà Mạnh Thư, Vũ Xuân Hương Hệ thống điều hòa khơng khí thơng gió Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001 Catalogue máy điều hoà hãng Carrier Catalogue máy điều hoà hãng Trane 10 Catalogue máy điều hoà hãng Toshiba 11 Catalogue máy điều hoà hãng Mitsubishi 12 Catalogue máy điều hoà hãng Daikin 13 Catalogue máy điều hoà hãng National 14 Catalogue máy điều hoà hãng Hitachi 15 Catalogue máy điều hoà hãng York 16 Catalogue máy điều hoà hãng LG ... tiêu: - Trình bày định luật nhiệt động thứ - Phân tích q trình hỗn hợp chất khí - Trình bày q trình nhiệt động khí lý tưởng - Tính tốn thơng số q trình hỗn hợp chất khí - Rèn luyện tính tập trung, ... kiến thức nhiệt dung riêng tính nhiệt theo nhiệt dung riêng Mục tiêu: - Trình bày khái niệm nhiệt cơng - Trình bày định nghĩa nhiệt dung riêng phân loại loại nhiệt dung riêng - Tính tốn nhiệt lượng... Lạnh - Phân tích khái niệm nhiệt động lực học - Trình bày kiến thức thông số trạng thái - Trình bày trình nhiệt động - Trình bày chu trình nhiệt động - Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư logic,