TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cán KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: ThS. Lưu Văn Phúc Sinh viên thực hiện : Đinh Thị Hằng Lớp : 48A - Vật lý Vinh - 2011 1 LỜI CẢM ƠN Khóa luận này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy giáo Thạc sĩ Lưu Văn Phúc, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo, người đã đặt đề tài, hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại Học Vinh đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong thời gian học tập và nghiên cứu và đóng góp những ý kiến cho nội dung của khóa luận. Em xin được cảm ơn thầy giáo, TS. Nguyễn Hồng Quảng và TS. Đoàn Hoài sơn - các thầy, cô đã đọc và góp ý cho nội dung của đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! Vinh, ngày 14 tháng 5 năm 2011 Người thực hiện khóa luận Đinh Thị Hằng 2 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ và thiết bị mới, truyền nhiệt có liên quan chặt chẽ và góp phần quan trọng trong vấn đề chất lượng của thiết bị. Máy móc do nhiều nước chế tạo rất phong phú về kết cấu và đa dạng về chủng loại. Vì vậy việc nghiên cứu về truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt sẽ giúp chúng ta lựa chọn chủng loại hợp lý, sử dụng hiệu quả thiết bị, và bảo trì sửa chữa. Việc tính toán, cải tiến để nâng cao hiệu suất nhiệt, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, hạ giá thành sản phẩm . đang đặt ra cấp thiết với chúng ta. Nghiên cứu về truyền nhiệt, tính toán quá trình trao đổi nhiệt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cho việc thiết kế và chế tạo các thiết bị nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng, phong phú nó tùy thuộc vào loại động cơ, công suất, cách làm mát . Trong đó, thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh được sử dụng rất nhiều trong các máy nhiệt như: Động cơ đốt trong (loại làm mát bằng không khí), bình ngưng ở trong máy lạnh, thiết bị sấy, điều hòa không khí . Mặt khác, nó có ưu điểm rất lớn về mặt công suất và hiệu quả của thiết bị, phù hợp với điều kiện thực tiễn của nước ta. Ngoài ra, đối với tôi là một sinh viên sư phạm khi nghiên cứu về đề tài này còn có ý nghĩa hỗ trợ đắc lực trong quá trình giảng dạy ở chương trình phổ thông nhất là môn Công nghệ lớp 11 phần Động cơ đốt trong, về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị nhiệt. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh”. Với mong muốn góp phần hỗ trợ dạy và học vật lý kỹ thuật cũng như phát triển để ứng dụng trong kỹ thuật, đặc biệt giúp cho những GV tương lai trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông. 2. Mục tiêu của đề tài 3 - Mục tiêu 1: Tìm hiểu một cách tổng quan về truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt. - Mục tiêu 2: Thực hiện một khâu tính toán thiết kế mới: Lựa chọn, xác định, xử lý thông tin thông số kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu về truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt. - Nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về các thông số kỹ thuật của thiết bị nhiệt giúp cho tính toán thiết kế thiết bị mới. 4. Cấu trúc của khóa luận Mở đầu Nội dung: Gồm các chương Chương 1: Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐNa) Chương 2: Tính toán thiết kế TBTĐN loại vách ngăn cách có cánh Kết luận Tài liệu tham khảo Sau đây là phần nội dung chi tiết của khóa luận. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT (TBTĐN) 1.1 Một số khái niệm về truyền nhiệt Truyền nhiệt nghiên cứu quá trình truyền nhiệt năng xảy ra giữa các vật có nhiệt độ khác nhau. Truyền nhiệt không chỉ tìm cách giải thích các nguyên nhân tạo nên quá trình này mà còn dự đoán mức độ trao đổi nhiệt năng sẽ xảy ra dưới các điều kiện ấy. Năng lượng được truyền dưới dạng dòng nhiệt không thể đo lường trực tiếp, nhưng có thể xác định được dòng nhiệt qua đại lượng vật lý là nhiệt độ. Dòng nhiệt luôn truyền từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp nên có thể tìm nó thông qua sự chênh lệch nhiệt độ trong hệ. Vì vậy, nghiên cứu nhiệt độ trong hệ là yếu tố rất quan trọng trong vấn đề truyền nhiệt. Truyền nhiệt giữa các vật là một quá trình phức tạp. Tuy nhiên, để việc nghiên cứu được thuận lợi, chúng ta có thể phân quá trình truyền nhiệt thành các dạng trao đổi nhiệt cơ bản sau: Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt bằng đối lưu và trao đổi nhiệt bằng bức xạ. 1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng khi các vật hoặc các phần của vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hiện tượng dẫn nhiệt luôn liên quan với sự chuyển động vi mô của vật chất. Đối với chất khí, sự truyền năng lượng là do khuếch tán các phân tử và nguyên tử. Trong chất lỏng và chất cách điện là do tác dụng của sóng đàn hồi, trong kim loại chủ yếu là sự khuếch tán các điện tử tự do. Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát bằng thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà 5 toán - lý Joeseph Fourier, ông là người đã ứng dụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết về nhiệt. Định luật này phát biểu: “Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ theo phương ấy”. Ví dụ dòng nhiệt theo phương x, định luật Fourier thể hiện như sau: x T FQ x ∂ ∂ −= λ (1.1) Hoặc x T F Q q x x ∂ ∂ −== λ (1.2) Trong đó: x Q - Dòng nhiệt truyền qua diện tích F (J/s). x q - Mật độ dòng nhiệt (W/m 2 ). F - Diện tích bề mặt truyền nhiệt qua (m 2 ). Do quy ước chiều dương của gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ, còn vecto mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “ - ” trong phương trình trên. Thực nghiệm đã xác định hệ số tỷ lệ λ trong phương trình (1.1) là một thông số vật lý của vật liệu đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật được gọi là hệ số dẫn nhiệt. Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và được xác định bằng thức nghiệm. Thông thường trong quá trình thực nghiệm làm thế nào xác định mật độ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ thì hệ số dẫn nhiệt sẽ được tìm theo công thức: gradt q = λ KmW )./( (1.3) Từ (1.3) ta thấy hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị thời gian khi gradient nhiệt độ bằng 1. )1( 0 bt += λλ (1.4) Trong đó: 0 λ - Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0 0 C. 6 b - Hằng số xác định bằng thực nghiệm. Trong tính toán thực tế có thể xem hệ số dẫn nhiệt là một hằng số tương ứng với nhiệt độ trung bình của nhiệt độ giới hạn hai đầu. Conrachiep đã chứng minh: Phương pháp thay thế này đúng với bất kỳ vật thể có hình dáng khác nhau trong trường hợp dẫn nhiệt ổn định. • Hệ số dẫn nhiệt của vật rắn + Kim loại và hợp kim: Sự truyền nhiệt năng cho kim loại chủ yếu là do các điện tử tự do, còn dao động của các nguyên tử dưới dạng sóng đàn hồi không đáng kể. Do chuyển động của các điện tử tự do sẽ đưa đến sự cân bằng nhiệt độ của các chỗ nóng và lạnh trong kim loại. Điện tử tự do chuyển động từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp cũng có thể theo chiều ngược lại. Trong trường hợp thứ nhất nó cũng cung cấp năng lượng cho nguyên tử, còn trường hợp thứ hai thì ngược lại. Bởi vì trong kim loại truyền nhiệt và truyền điện đều do điện tử tự do cho nên hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn điện tỷ lệ thuận với nhau. Khi nhiệt độ tăng làm cho sự hỗn loạn của điện tử tự do tăng lên, do đó hệ số dẫn nhiệt và dẫn điện trong kim loại giảm xuống. Trong kim loại khi có lẫn các tạp chất khác thì hệ số dẫn nhiệt của nó giảm đi rất nhanh, sở dĩ xảy ra như vậy là do sự tăng tính hỗn loạn của kết cấu dẫn đến làm tăng sự phân tán của các điện tử tự do. Hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ, đa số kim loại nguyên chất có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng nhưng đối với chất khí và vật liệu cách điện thì ngược lại, hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng. + Vật rắn cách điện: Đối với các chất cách điện thông thường hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng, nói chung hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩm của vật liệu, khi khối lượng riêng tăng thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng. 7 1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu Khi chất lỏng chuyển động qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt t w và môi trường chất lỏng t f , thì giữa bề mặt và chất lỏng sẽ có quá trình trao đổi nhiệt được gọi là quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu. Hình 1.1. Quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu Sự truyền nhiệt xảy ra trong trường hợp này là do sự chuyển dịch tương đối giữa bề mặt và chất lỏng đồng thời với sự chênh lệch nhiệt độ. + Nếu sự chuyển dịch chất lỏng là do nhân tạo (như bơm quạt, máy nén… cưỡng bức chất lỏng chảy qua bề mặt) thì quá trình trao đổi nhiệt này là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. + Nếu sự chuyển động chất lỏng được tạo nên bởi lực nâng, do sự chênh lệch khối lượng riêng thì quá trình gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự do. Quá trình này rất phức tạp. Trong kỹ thuật, để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức: )( fw ttFQ −= α (1.5) (1.5) được gọi là Định luật làm lạnh của Newton. Trong đó: Q – dòng nhiệt (W). α – cường độ dòng trao đổi nhiệt đối lưu (W/m 2 .độ). 8 F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 ). t w – nhiệt độ bề mặt vật rắn (K). t f – nhiệt độ trung bình chất lỏng (K). 1.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ là nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật có nhiệt độ chênh lệch không tiếp xúc nhau trong môi trường chất khí hoặc chân không. Hình 1.2. Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ Chúng ta đã biết, các vật luôn phát năng lượng bức xạ truyền đi trong không gian dưới dạng những photon rời rạc theo lý thuyết Planck. Sự bức xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ của vật là sự xếp chồng vì nguồn gốc bức xạ là từ bên trong vật và được thông qua bề mặt vật, ngược lại bức xạ tới bề mặt vật từ môi trường xung quanh sẽ xâm nhập sâu vào vật và yếu dần. Nhiều trường hợp trong thiết bị kỹ thuật, phần lớn các tia bức xạ tới tắt nhanh trên lớp mỏng của bề mặt vật nên được gọi là hấp thụ hoặc bức xạ bề mặt. Người ta đã chứng minh được rằng: Năng lượng bức xạ bề mặt tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối luỹ thừa bậc 4. Ví dụ, vật đen (hoàn toàn hấp thụ và hoàn toàn bức xạ) năng lượng trao đổi ở bề mặt với hệ: )( 4 2 4 1 TTFQ −= σ (1.6) Trong đó: σ - Hằng số Stefan – Boltzmann (σ = 5.6697.10 -8 W/m 2 .K 4 ). F - Diện tích bề mặt trao đổi của hệ (m 2 ). 1 T - Nhiệt độ của hệ (K). 2 T - Nhiệt độ môi trường đặt hệ (K). 9 Nếu hai vật không hoàn toàn đen và bề mặt không bị khép kín với nhau thì năng lượng trao đổi giữa hai vật sẽ là: )( 4 2 4 112 TTFQ −= σϕ (1.7) Trong đó: 12 ϕ - Hệ số góc (hoặc hệ số chiếu xạ). Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa 1 T và 2 T tương đối nhỏ thì phương trình (1.7) có thể viết dưới dạng: ))()(( 2 2 2 1212112 TTTTTTFQ ++−= σϕ )(4 21 3 112 TTTF −≅ σϕ (1.8) ))(4( 21 3 112 TTT F Q q −== σϕ (1.9) 3 112 4 T bx σϕα = là hệ số trao đổi nhiệt bức xạ. Vậy ta còn công thức tính năng lượng nếu 121 TTTT <<−=∆ : )( 21 TTq bx −= α (1.10) 1.1.4 Trao đổi nhiệt phức tạp Quá trình trao đổi nhiệt phức tạp là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ cùng xảy ra đồng thời với cường độ mạnh, do đó khi tính toán giải tích về truyền nhiệt có xem xét ảnh hưởng tương hỗ giữa hai dạng trao đổi nhiệt cơ bản trên là một vấn đề rất phức tạp. Vì vậy trong kỹ thuật, chúng ta có thể xem quá trình xẩy ra như là sự xếp chồng tuyến tính của hai dòng nhiệt với hai dạng trao đổi nhiệt khác nhau. Ví dụ: Quá trình trao đổi nhiệt giữa sản phẩm cháy trong buồng đốt với bề mặt truyền nhiệt, nó là quá trình xảy ra đồng thời trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu với bề mặt hấp thụ, hay đây là quá trình trao đổi nhiệt phức tạp. Dòng nhiệt tổng: đlbx qqq += (1.11) Hoặc: )()()( wfwfđlwfbx TTTTTTq −=−+−= Σ ααα (1.12) Trong đó: 10 . TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cán KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: . hoạt động của các thiết bị nhiệt. Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách có cánh . Với mong