Hơi Và Các Thông Số Trạng Thái Của Hơi. Các Thể (Pha) Của Vật Chất:

1.1.2. Hơi và các thông số trạng thái của hơi. Các thể (pha) của vật chất:‌

Vật chất tồn tại 3 thể Rắn, Lỏng, Hơi.

1.1.2.1.Quá trình hoá hơi đẳng áp

Giả thiết nước bắt đầu ở trạng thái O trên đồ thị p-v và T-s hình 1.1 và 1.2 có nhiệt đột, thể tích riêng là v. Khi cung cấp nhiệt cho nước trong điêu kiện áp suất không đổi p = const, nhiệt độ và thể tích riêng tăng lên. Đến nhiệt độ ts nào đó thì nước bắt đầu sôi, có thể tích riêng là v’ và các thông số trạng thái khác tương ứng là: u’, i’, s’, trạng thái sôi được biểu thị bằng điểm A. ts được gọi là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bão hoà ứng với áp suất p. Nếu tiếp tục cấp nhiệt vẫn ở áp suất đó thì cường độ bốc hơi càng tăng nhanh,

nhiệt độ của nước và hơi không thay đổi và bằng ts . Đến một lúc nào đó thì toàn bộ nước sẽ biến hoàn toàn thành hơi trong khi nhiệt độ của hơi vẫn còn giữ ở nhiệt độ ts. Hơi nước ở trạng thái này được gọi là hơi bão hoà khô, được biễu diễn bằng điểm C. Các thông số tại điểm C được kí hiệu là v’’, u’’, i’’, s’’. Nhiệt lượng cấp vào cho 1 kg nước từ khi bắt đầu sôi đến khi biến thành hơi hoàn toàn được gọi là nhiệt ẩn hoá hơi, kí hiệu là r = i’’

Hình 1.1 đồ thị trạng thái Hình 1.2 đồ thị trạng thái t-s của hơi nước

Nếu ta cung cấp nhiệt cho hơi bão hoà khô vẫn ở áp suất đó thì nhiệt độ và thể tích riêng của nó lại bắt đầu tiếp tục tăng lên. Hơi nước ở nhiệt độ này gọi là hơi quá nhiệt. Các thông số hơi quá nhiệt kí hiệu là v, p, t, i, s. Hiệu số nhiệt độ của hơi quá nhiệt và hơi bão hoà được gọi là độ quá nhiệt. Độ quá nhiệt càng cao thì hơi càng gần với khí lí tưởng. Vậy ở áp suất p không đổi, khi cấp nhiệt cho nước ta sẽ có các trạng thái O, A, C tương ứng với nước chưa sôi, nước sôi và hơi bão hoà khô. Quá trình đó được gọi là quá trình hoá hơi đẳng áp. Tương tự như vậy, nếu cấp nhiệt đẳng áp cho nước ở áp suất p1= const thì ta có các trạng thái tương ứng kí hiệu O1, A1, C1 và ở áp suất p2= const ta cũng có các điểm tương ứng là O2, A2, C2....

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 148 trang tài liệu này.

1.1.2.2 Các đường giới hạn và các miền trạng thái của nước và hơi.

Khi nối các điểm O, O1, O2, O3...........ta được một đường gọi là đường nước chưa sôi, đường này gần như thẳng đứng, chứng tỏ thể tích riêng của nước rất ít phụ thuộc vào áp suất. Khi nối các điểm A, A1,A2, A3...........ta được một đường cong biểu thị trạng thái nước sôi gọi là đường giới hạn dưới. Khi nhiệt độ sôi tăng thì thể tích riêng của nước sôi v’ tăng, do đó đường cong này dịch dần về phía bên phải khi tăng

áp suất. Khi nối các điểm C, C1, C2, C3........ta được một đường cong biểu thị trạng thái hơi bão hoà khô, gọi là đường giới hạn trên. Khi áp suất tăngthì thể tích riêng của hơi bão hoà khô giảm nên đường cong này dịch về phía trái. Đường giới hạn trên và đường giới hạn dưới gặp nhau tại điểm K, gọi là điểm tới hạn. Trạng thái tại điểm K gọi là trạng thái tới hạn, đó chính là trạng thái mà không còn sự khác nhau giữa chất lỏng sôi và hơi bão hào khô. Các thông số tương ứng với trạng thái đó được gọi là thông số tới hạn, ví dụ nước có:

pk= 22,1Mpa,tk= 3740C, vk=0.00326m3/kg, ik= 2156,2kj/ Hai đường giới hạn trên và dưới chia đồ thị làm 3 vùng. Vùng bên trái đường giới hạn dưới là vùng nước chưa sôi, vùng bên phải đường giới hạn trên là vùng hơi quá nhiệt, còn vùng giữa hai đường giới hạn là vùng hơi bão hoà ẩm. Trong vùng bão hoà ẩm thì nhiệt độ và áp suất khôngcòn là thông số độc lập nữa. ứng với nhiệt độ sôi, môi chất có áp suất nhất định và ngược lại ở một áp suất xác định, môi chất có nhiệt độ sôi tương ứng. Vì vậy, ở vùng này muốn xác định trạng thái của mỗi chất phải dùng thêm một thông số nữa gọi là độ khô x hay độ ẩm y của hơi, (y = 1- x) . Như vậy ta thấy: Trên đường giới hạn dưới lượng hơi G” =0, do đó độ khô x= 0, độ ẩm y=1. Còn trên đường giới hạn trên, lượng nước đã biến hoàn toàn toàn thành hơi nên G’ = 0 nghĩa là độ khô x = 1, độ ẩm y = 0 và giữa hai đường giới

hạn có độ khô: 0 < x < 1

1.1.2.3. Cách xác định các thông số của hơi bằng bảng và đồ thị.

a) Các bảng và xác định thông số trạng thái của nước.

* Bảng nước chưa sôi và hơi qua nhiệt:

Để xác định trạng thái môi chất ta cần biết hai thông số trạng thái độc lập. Trong vùng nước chứa sôi và vùng hơi qua nhiệt, nhiệt độ và áp suất là hai thông số độc lập, do đó bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt được xây dựng theo hai thông số này. Bảng nước chưa sôi và thông qua hơi nhiệt được trình bày ở phần phụ lục, bảng này cho phép xác định các thông số trạng thái v, i, s của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ứng với một áp suất và nhiệt độ xác định nào đó.

Từ đó định được: u = i – pv

*Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô:

Khi môi chất có trạng thái trong vùng giữa đường giới hạn dưới (đường nước sôi) và đường giới hạn trên (đường hơi bão hào khô) thì nhiệt độ và áp suất không còn là hai thông số độc lập nữa, vì vậy muốn xác định trạng thái của môi chất thì cần biết thêm một thông số khác nữa.

Độ khô cũng là một thông số trạng thái. Nước sôi có độ khô x = 0, hơi bão hòa khô có độ khô x= 1, như vậy trạng thái của môi chất trên các đường giới hạn này sẽ được xác định khi biết thêm một thông số trạng thái nữa là áp suất p hoặc nhiệt độ t. Chính vì vậy các thông số trạng thái khác của nước sôi và hơi bão hòa khô có thể được xác định bằng bảng nước sôi và hơi bão hoà khô theo áp hoặc nhiệt độ.

Bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” có thể cho theo p hoặc t, được trình bày trong phần phụ lục, cho biết các thông số trạng thái của nước sôi (v’, i’, s’), hơi bão hòa khô (v”, i”,s”) và nhiệt ẩn hoá hơi theo áp suất hoặc theo nhiệt độ.

Khi môi chất ở trong vùng hơi ẩm, các thông số trạng thái của nó có thể được tính theo các thông số trạng thái tương ứng trên các đường giới hạn và độ khô x ở cùng áp suất.

Ví dụ: Trong 1 kg hơi ẩm có độ khô x, sẽ có x kg hơi bão hòa khô với thể tích v” và (1-x) kg nước sôi với thể tích v’. Vậy thể tích riêng củahơi ẩm sẽ là:

vx= xv” + (1-x)v’ = v’ + x(v” – v’) Như vậy, muốn xác định các thông số trạng thái của hơi ẩm có độ khô x ở áp suất p, trước hết dựa vào bảng “nước sôi và hơi bão hòa khô” ta xác định các thông số v’,i’,s’ của nước sôi và v”.i”,s” của hơi bão hòa khô theo áp suất p, sau đó tính các thông số tương ứng của hơi ẩm theo công thức.

b) Đồ thị T-s và i-s của hơi nước.

Các bảng hơi nước cho phép tính toán các thông số trạng thái với độ chính xác cao, tuy nhiên việc tính toán phức tạp và mất nhiều thời giờ. Để đơn giản việc tính toán, ta có thể dùng đồ thị của hơi nước. Dựa vào đồ thị có thể xác định các thông số còn lại khi biết 2 thông số độc lập với nhau. Đối với hơi nước, thường dùng các đồ thị T-s, i-s.Đồ thị T-s của hơi nước:

*Đồ thị T-s của hơi nước được biểu thị trên hình 1.5, trục tung của đồ thị biễu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn entropi. ở đây các đường đẳng áp trong vùng nước chưa sôi gần như trùng với đường giới hạn

giới x = 0 (thực tế nằm trên đường x = 0), trong vùng hơi bão hoà ẩm là các đường thẳng song song với trục hoành và trùng với đường đẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt là các đường cong lõm đi lên. Các đường độ khô không đổi xuất phát từ điểm K đi tỏa xuống phia dưới. Đồ thị T-s được xây dựng cho vùng hơi bão hòa và vùng hơi quá nhiệt. Đồ thị i-s của hơi nước:

Theo định luật nhiệt đông thứ nhất ta có q = ∆i – 1, mà trong quá trình đẳng áp dp = 0 do đó 1 = 0, vậy q = ∆i = i2– i1. Nghĩa là trong quá trình đẳng áp,

nhiệt lượng q trao đổi bằng hiệu entanpi, vì vậy đồ thị i-s sử dụng rất thuận tiện khi tính nhiệt lượng trong quá trình đẳng áp.

Hình 1.3. đồ thị i-s của hơi nước

Đồ thị i-s của hơi nước được biểu diễn trên hình 1.3, trục tung biễu diễn entanpi, trục hoành biễu diễn Entropi, được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm.

Đồ thị gồm các đường :

Đường đẳng áp (p=const) trong vùng hơi ẩm là các đường thẳng nghiêng đi lên, trùng với đường đẳng nhiệt tương ứng; trong vùng hơi quá nhiệt là các đường cong lõm đi lên. Đường đẳng nhiệt trong vùng hơi ẩm trùng với đường đẳng áp, là những đường thẳng nghiêng đi lên, trong vùng hơi quá nhiệt là những đường cong lồi đi lên và càng xa đường x= 1 thì càng gần như song song với trục hoành. Đường đẳng tích dốc hơn đường đẳng áp một ít. Đường độ khô x = const là chùm đường cong xuất phát từ điểm K đi xuống phía dưới.

1.1.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi.‌

1.1.3.1.Quá trình đẳng tích v= const

Quá trình đẳng tích của hơi nước được biễu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i-s hình 1.4. Trạng thái đầu được biểu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đường p1= const với đường t1= const. Các thông số còn lại i1, s1, v1được xác định bằng cách

Hình 1.4 :đồ thị i-s quá trình đẳng tích của hơi nước

Hình 1.5 :đồ thị i-s quá trình đẳng áp của hơi nước

Trạng thái cuối được biễu diễn bằng điểm 2, được xác định bằng giao điểm của đường v2= v1= const và đường p2= const, từ đó xác định các thông số khác như đối với điểm1

- Công của quá trình: dl = pdv = 0 vì dv = 0, hay: l = 0

- Biến thiên nội năng: ∆u = (i2- p2v2) – (i1 – p1v1)

∆u = i2 – i1 – v(p2 – p1)

- Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình: q = ∆u + 1 = ∆u

1.1.3.2.Quá trình đẳng áp.

Quá trình đẳng áp của hơi nước được biểu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i – s hình 1.5. Trạng thái đầu được biễu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đường p1= const với đường t1=const. Các thông số còn lại i1, s1, v1 được xác định bằng cách đọc các đường i, s và v đi qua điểm 1.

Trạng thái cuối được biểu diễn bằng điểm 2, được xác định bằng giao điểm của đường p2= p1= const với đường x2= const, từ đó xác định các thông số khác như

đối với điểm 1.

-Công của quá trình: 1=∫ pdv= p(v2− v1)

-Biến thiên nội năng: ∆u = i2– i1– p (v2– v1)

-Nhiệt lượng trao đổi: q= ∆u + 1 = i2- 11

1.1.3.3.Quá trình đẳng nhiệt

Quá trình đẳng nhiệt của hơi nước được biểu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị

i-s hình 1.6. Trạng thái đầu được biểu diễn bằng điểm 1, là giao điểm của đường t1và x1. Các thông số còn lại v1, i1,s1được xác định bằng cách đọc các đường v, i, s đi qua điểm 1.

Trạng thái cuối được biễu diễn bằng điểm 2, là giao điểm của đường p2 với đường t2= t1= const, từ đó xác định các thông số khác như đối với điểm 1.

-Biến thiên nội năng:

∆u = i2– i1– (p2v2– p1v1)

-Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình:Q = T(s2− s1)

-Công của quá trình: 1= q -∆u

1.1.3.4.Quá trình đoạn nhiệt

Quá trình đoạn nhiệt của hơi nước được biễu diễn bằng đường 1-2 trên đồ thị i- s hình 1-7. Trong quá trình này, dq = 0 nếu ds = 0. Trên đồ thị T-s và i-s quá trình đoạn nhiệt là một đoạn thẳng song song với trục tung có s = const.

-Nhiệt lượng trao đổi : dq = 0 hay q = 0, do đó: dq = 0

-Công và biến thiên nội năng: 1= ∆u = i2- i1– (p2v2- p1v1)

Hình 1.6:đồ thị i-s quá trình đẳng nhiệt của hơi nước

1.1.3.5.Quá trình lưu động và tiết lưu:

a. Quá trình lưu động

Hình 1.7 :đồ thị i-s quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch ( đẳng entropi) của hơi nước

Sự chuyển động của môi chất gọi là lưu động. Khi khảo sát dòng lưu động, ngoài các thông số trạng thái như áp suất, nhiệt độ . . . . ta còn phải xét một thông số nữa là tốc độ.

b. Các điều kiện khảo sát để đơn giản, khi khảo sát ta giả thiết:

- Dòng lưu động là ổn định:nghĩa là các thông số của môi chất không thay đổi theo thời gian .

- Dòng lưu động một chiều:vận tốc dòng không thay đổi trong tiết diện ngang.

- Quá trình lưu động là đoạn nhiệt:bỏ qua nhiệt do ma sát và dòng không trao đổi nhiệt với môi trường.

- Quá trình lưu động là liên tục:các thông số của dòng thay đổi một cách liên tục, không bị ngắt quảng và tuân theo phương trình liên tục:

1.1.3.6. Quá trình tiết lưu.

a. Hiện tượng tiết lưu:

Tiết lưu là hiện tượng giảm áp suất dòng chảy khi chất lưu di chuyển qua khu vực ống dẫn có tiết diện thu hẹp đột ngột.

Nguyên nhân của hiện tượng tiết lưu là xuất hiện ma sát cục bộ tại nơi tiết diện dòng chảy bị thu hẹp đột ngột (chỗ thắt), tại đó các phần tử của chất lỏng bị ép lại khi đi vào chỗ thắt, sau đó lại được giãn ra khi thoát khỏi chỗ thắt. Đó chính là lý do sinh ra hiện

tượng xoáy cục bộ, tạo ra ma sát làm tiêu hao năng lượng có ích của dòng. Điều này biểu thị ở hiện tượng áp suất dòng bị sụt giảm không khôi phục lại được khi chất lưu chảy qua chỗ thắt. Phần năng lượng bị tiêu hao sẽ biến thành nhiệt và mặc dầu sau đó lượng nhiệt này được chất lưu hấp thụ lại nhưng đó lại là thành phần năng lượng vô ích, không có khả năng biến hóa lại thành công được nữa. Vì thế đứng trên quan điểm năng lượng mà xem xét thì tiết lưu là hiện tượng gây ra hao tổn năng lượng có ích của dòng chảy. Cũng cần lưu ý rằng mặc dù áp suất dòng chảy bị sụtgiảm sau khi thực hiện tiết lưu nhưng tốc độ dòng ở sau chỗ thắt lại được

khôi phục giống như tốc độ trước khi vào chỗ thắt để đảm bảo duy trì điều kiện liên tục của dòng chảy.

1.1.4. Chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt.‌

Máy lạnh là loại máy nhiệt tiêu thụ công để tạo ra không gian cục bộ có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường. Hiệu suất nhiệt của chu trình máy lạnh được biểu thị bằng hệ số lạnh εlà tỷ số giữa lượng nhiệt được chu trình lấy ra khỏi nguồn lạnh và lượng công tiêu thụ. Dưới đây ta xét 2 loại chu trình máy lạnh đơn giản nhất, đó là chu trình dùng không khí và chu trình dùng hơi.

1.1.4.1.Chu trình máy lạnh dùng không khí

Hình 1.8 sơ đồ cấu tạo máy lạnh dùng hơi :

a. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc: Không khí được nén trong máy nén nên áp suất và nhiệt độ tăng lên, khi qua bộ làm mát sẽ nhả nhiệt cho môitrường, nhiệt độ không khí giảm xuống.

Sau đó không khí được dãn nở trongxylanh dãn, nhiệt độ của nó tiếp tục giảm đi đến mức thấp hơn nhiệt độ buồng lạnh. Khi đi qua buồng lạnh, không khí lạnh sẽ thu nhiệt của buồng,

Sau đó lại trở về máy nén. Kết quả làkhông khí đã lấy nhiệt của buồng lạnh để sau đó chuyển cho môi trường.

1-2: không khí bị nén đoạn nhiệt trong máy nén

2-3: không khí nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường

3-4: không khí dãn nở đoạn nhiệt trong xy lanh dãn

4-1: không khí nhận nhiệt đẳng áp từ buồng lạnh

b. Chu trình máy lạnh dùng hơi

*Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Trong loại máy lạnh này, môi chất là các chất lỏng dễ hóa hơi ở nhiệt độ thấp, như amôniac hoặc các hợp chất của cacbon, flo và clo (gọi chung là CFC). Trong một chu trình công tác, môi chất vừa thay đổi nhiệt độ và áp suất, vừa biến đổi pha (từ thể lỏng sang thể hơi và ngược lại). Để hạ thấp nhiệt độ môi chất sau khi nó ra khỏi bộ làm mát, người ta sử dụng van tiết lưu, là cơ cấu làm giảm đột ngột áp suất dòng môi chất, dẫn đến giảm nhiệt độ của nó.

*Hệ số lạnh: Đối với chu trình máy lạnh dùng hơi làm môi chất, hệ số lạnh ε được tính theo biến thiên entanpi của 2 quá trình: quá trình nén môi chất ở thể hơi trong máy nén (∆in) và quá trình bay hơi của môi chất ở thể lỏng trong buồng lạnh (∆ih), cụ thể: ε= ∆ih/∆in

*Môi chất lạnh và vấn đề an toàn môi trường: Các môi chất dùng trong máy lạnh (gọi tắt là môi chất lạnh) có chứa cacbon, flo, clo(CFC) đã từng được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ nghệ làm lạnh vì những chất này có đặc tính nhiệt động rất ưu việt, rẻ tiền, dễ chế tạo và thay thế. Nhưng bên cạnh những ưu điểm đó, chúng có một đặc điểm rất nguy hại, đó là khi phát thải vào khí quyển, các nguyên tố clo trong CFC đã gây ra tác hại rất lớn đến môi trường sinh thái toàn cầu, cụ thể là làm thủng tầng ozon trong bầu khí quyển ở 2 cực của trái đất. Khi đó, các tia có hại (như tia tử ngoại) trong bức xạ mặt trời có điều kiện xâm nhập vào môi trường sống của con người và các sinh vật khác, hủy hoại sự phát triển tự nhiên của vạn vật, gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm. Chính vì thế, hiện nay các môi chất lạnh thuộc loại CFC đang dần được loại bỏ và thay thế bằng các môi chất lạnh khác an toàn hơn, thân thiện hơn đối với môi trường như CO2,NH3, butan…

1.2.TRUYỀN NHIỆT:‌

1.2.1.Dẫn nhiệt.‌

1.2.1.1.Các khái niệm và định nghĩa

a. Định nghĩa: Dẫn nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt giữa các khu vực trong một vật hoặc giữa các vật tiếp xúc với nhau. Bản chất của hiện tượng dẫn nhiệt trong vật rắn là sự truyền động năng phân tử từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.

b. Trường nhiệt độ:Trường nhiệt độ là tập hợp các giá trị nhiệt độ tại mọi điểm thuộc vật xét ở từng thời điểm. Trong trường hợp tổng quát, nhiệt độ tại 1 điểm phụ thuộc vào tọa độ điểm khảo sát (x,y,z) và phụ thuộc vào thời gian τ, do đó phương trình tổng quát của trường nhiệt độ có dạng: t =f (x, y, z, τ) (6.1) Nếu nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian có nghĩa ∂t /∂ τ = 0, trường nhiệt độ được gọi là ổn định và có phương trình: t = f (x, y, z) (6.2) Nếu nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian có nghĩa ∂t /∂ τ ≠0, trường nhiệt độ được gọi là không ổn định và phương trình của nó chính là phươngtrình (6.1).

c. Građien nhiệt độ (gradt): Xét một vật trong trạng thái dẫn nhiệt. ở từng thời điểm, tại mỗi điểm của vật tồn tại một giá trị nhiệt độ, giá trị đó được thay đổi khi đi từ điểm này sang điểm khác. Tập hợp những điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm nào đó tạo thành một mặt gọi là mặt đẳng nhiệt. Trong chế độ dẫn nhiệt ổn định, mặt đẳng nhiệt là những mặt cố định; trong chế độ không ổn định, chúng là những mặt di động và biến dạng. Vì ở một thời điểm, tại mỗi điểm của vật chỉ có một giá trị nhiệt độ nên các mặt

đẳng nhiệt không thể cắt nhau. Các mặt đó được kết thúc tại bề mặt vật hoặc khép kín bên trong vật. Sai khác nhiệt độ không thể tồn tại trên một mặt đẳng nhiệt mà chỉ xuất hiện khi đi từ mặt này sang mặt khác, nhưng biến thiên nhiệt độ sẽ không giống nhau nếu di chuyển theo các hướng khác nhau. Để đánh giá mức độ biến thiên nhiệt độ theo hướng, ta sử dụng một đại lượng véctơ gọi là građien nhiệt độ (gradt), các thành phần của véctơ đó được xác định như sau:

* Phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt tại điểm khảo sát

* Chiều theo chiều tăng nhiệt độ

* Trị số bằng đạo hàm riêng của nhiệt độ theo phương pháp tuyến.

∇ t = ∂t/∂n(K/m) (6.3)

Dấu của ∇ t (+ hoặc phụ thuộc biến thiên nhiệt độ trong một hệ tọa độ xác định.

Như vậy: ( no là véctơ pháp tuyến đơn vị)

1.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu. 1.2.2.1.Các khái niệm và định nghĩa‌

a. Đặc điểm:Truyền nhiệt đối lưu là phương thức truyền nhiệt diễn ra trong chất lỏng, chất khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu, nhưng do thói quen người ta vẫn dùng thuật ngữ chất lỏng thay cho thuật ngữ chất lưu). Trong quá trình truyền nhiệt đối lưu, chất lỏng luôn ở trạng thái chuyển động, vì vậy có thể nói: truyền nhiệt đối lưu là hiện tượng dẫn nhiệt trong môi trường chuyển động. Truyền nhiệt đối lưu giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn có tên riêng là toả nhiệt và đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật cũng như trong đời sống.

b. Phương trình đặc trưng:

Thực nghiệm cho thấy mật độ dòng nhiệt q (W/m2) truyền từ bề mặt vật rắn tới chất lỏng (hoặc ngược lại) trong quá trình toả nhiệt (gọi tắt là mật độ toả nhiệt) tỷ lệ với độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt ∆t. Quan hệ đó được phản ánh bằng phương trình Newton-Richman : q = α ∆t hoặc q= ' Rt ∆ở đây α(w/m2K) là hệ số toả nhiệt, đặc trưng cho cường độ quá trình toả nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn. R' = α1(m2K/W) là trở toả nhiệt giữa chất lỏng và bề mặt vật. Khác với bài toán dẫn nhiệt trong đó αđược cho trước, ở bài toán đối lưu, hệ số αlà mục tiêu mà ta phải đi tìm. Do toả nhiệt là quá trình rất phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố cả về phương diện nhiệt học lẫn động học của chất lỏng nên αlà một hàm của rất nhiều biến số: α= f(λ, c, ρ, t, w, l…)

Chính vì thế việc xác định giá trị của nó bằng phương pháp giải tích trong từng trường hợp cụ thể của bài toán toả nhiệt trở nên quá phức tạp và không hiệu quả; người ta phải sử dụng một số phương pháp gần đúng, chẳng hạn như phương pháp đồng dạng.

c. Phân loại:

Tuỳ thuộc nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng, truyền nhiệt đối lưu được chia làm 2 loại : đối lưu tự do và đối lưu cưỡng bức. Trong đối lưu tự do, nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng là chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực trong chất lỏng dẫn đến chênh lệch khối lượng riêng. Trong đối lưu cưỡng bức, do sử dụng các yếu tố cơ học từ bên ngoài như bơm, quạt…nên chuyển động của chất lỏng được tăng cường mạnh mẽ.

d. Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu Tính chất vật lý của chất lỏng:

Yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt cũng như đặc điểm chuyển động của chất lỏng và được thể hiện qua các thông số như hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng c, khối lượng riêng ρ, hệ số nhớt. Hệ số nhớt đặc trưng cho sự ma sát giữa các phần tử chất lỏng, nói cách khác, nó mô tả mức độ linh hoạt trong chuyển động của chất lỏng. Hệ số nhớt càng lớn, ma sát trong nội bộ chất lỏng càng cao, chất lỏng chuyển động càng khó khăn. Có hai loại hệ số nhớt: hệ số nhớt động lực học µ(Ns/m2) và hệ số nhớt động học γ(m2/s), giữa chúng có quan hệ như sau: γ= ρµ(ρlà khối lượng riêng của chất lỏng) Chế độ chảy: Khi chuyển động, dòng chất lỏng có thể thuộc 1 trong 2 chế độ chảy: chảy tầng hoặc chảy rối. Trong chế độ chảy tầng, các phần tử chất

Xem tất cả 148 trang.

Ngày đăng: 02/03/2024