Chương 2 môn Truyền nhiệt

1. Tổng quan
Những khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

2. 1. Mở đầu
 Truyền nhiệt :
◦ Giải thích những nguyên nhân tạo nên quá
trình truyền nhiệt.
◦ Xác định mức độ trao đổi nhiệt năng sẽ
xảy ra.
Khoa học truyền nhiệt nghiên cứu quá
trình truyền nhiệt năng giữa các vật có
nhiệt độ khác nhau.

3.  Năng lượng được truyền dưới dạng dòng nhiệt không thể đo lường
trực tiếp nhưng có thể xác định dòng nhiệt thông qua một đại lượng
vật lý có thể đo lường là nhiệt độ.
 Dòng nhiệt luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt
độ thấp hơn -> tìm thấy dòng nhiệt thông qua sự chênh lệch nhiệt độ
trong hệ.
-> Yếu tố quan trọng trong bài toán truyền nhiệt:
- Xác định sự phân bố nhiệt độ trong hệ.
- Giá trị dòng nhiệt.

4. Nồi hơi: thiết bị trao đổi nhiệt dùng để tạo hơi nước

5. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

6. 45-65%
10-25%
Uncombined lime
0.75-1.5%
Thiết bị nhiệt trong công nghệ sản xuất xi măng

7. Thiết bị nhiệt trong công nghệ sản xuất ceramic

8. Thiết bị nhiệt trong công nghệ sản xuất thủy tinh

9. 2. Truyền nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định
❖ Truyền nhiệt ổn định:
Nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo
thời gian.
Thiết bị làm việc liên tục
❖Truyền nhiệt không ổn định:
Nhiệt độ thay đổi theo không gian và thời gian.
Thiết bị làm việc gián đoạn, giai đoạn đầu và cuối của thiết
bị làm việc liên tục

10. 3. Các phương thức truyền nhiệt

11. ◦ Trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt
❖ Là một dạng truyền nhiệt năng từ
vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có
nhiệt độ thấp hơn do sự truyền động
năng hoặc va chạm của của các phần tử
hay nguyên tử.
❖ Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng khi
các phần của vật hoặc các vật có nhiệt độ khác
nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau.
❖ Có thể xảy ra trong môi trường khí hoặc lỏng nếu chất khí hoặc
lòng ở trạng thái đứng yên hoặc chuyển động dòng.

12. Trao đổi nhiệt đối lưu
❖ Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình
truyền nhiệt năng khi lưu chất dịch chuyển
trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến
vùng có nhiệt độ khác.
❖ Quá trình đối lưu nhiệt chỉ xảy ra khi có
sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với lưu
chất.
➢ Luôn tồn tại dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt
đồng thời.

13. Trao đổi nhiệt bức xạ
- Hai vật có nhiệt độ khác nhau đặt cách xa nhau trong môi trường
hoàn toàn chân không
➢ Dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt không tồn tại
➢ Sự truyền nhiệt giữa các vật xảy ra bằng trao đổi nhiệt bức xạ.
✓ Ở bất kỳ nhiệt độ nào (lớn hơn nhiệt độ không tuyệt
đối) luôn có sự biến đổi nội năng của vật thành năng
lượng sóng điện từ với chiều dài bước sóng từ 0-∞.
✓ Kỹ thuật nhiệt quan tâm đến các tia có hiệu ứng
nhiệt cao ở nhiệt độ thường -> các tia có bước sóng
0,4 ~40µm -> tia nhiệt.
✓ Quá trình phát sinh, truyền và hấp thu những
tia nhiệt gọi là bức xạ nhiệt.

14. Thực tế: Nhiệt truyền từ vật này sang
vật khác không phải đơn thuần theo
một phương thức nào đó mà thường
xuyên truyền đi đồng thời theo hai
hoặc cả ba phương thức trên.
-> truyền nhiệt phức tạp
Tùy trường hợp cụ thể, ảnh hưởng của quá trình nào đó không
đáng kể so với toàn bộ quá trình truyền nhiệt thì có thể bỏ qua.
Truyền nhiệt tổng quát

15. Nhiệt chuyển pha

16. Chương 2: DẪN NHIỆT

20. Định luật dẫn nhiệt Fourier
Baron Jean Baptiste
Joseph Fourier
(1768-1830)
“Nhiệt lượng dQ dẫn qua một đơn vị bề mặt đẵng nhiệt dF trong một
đơn vị thời gian dτ thì tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ (gradT).”

 dFd
n
T
n
dQ o


−
=
dQ: Nhiệt lượng, J
F: Bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2
τ: thời gian, s
λ: hệ số dẫn nhiệt (W/mK)
❖ Mật độ dòng nhiệt q, W/m2 (heat flux) : Nhiệt lượng truyền qua
một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian.
gradT
n
T
n
dFd
dQ
q o 


−
=


−
=
=
Dấu “-”: dòng nhiệt ngược
chiều gradT





 d
dF
n
T
d
qdF
Q
F
o
F
o



 

−
=
=
❖ Nhiệt lượng Qτ dẫn qua bề mặt đẵng nhiệt F trong thời gian τ

21. Hệ số dẫn nhiệt λ
λ: lượng nhiệt tính bằng Jun dẫn qua 1m2 bề mặt vuông góc với phương dẫn
nhiệt trong đơn vị thời gian là 1 giây khi chênh lệch nhiệt độ trên một đơn vị
chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẵng nhiệt là 1K/m
λ của vật thể rất khác nhau phụ thuộc: cấu trúc,
áp suất, nhiệt độ, thường xác định bằng thực
nghiệm
λ của kim loại: Phụ thuộc vào thành phần kim
loại và cấu trúc hợp kim. Khi nhiệt độ tăng thì
λ tăng
λ = λo(1+bT)
λ của chất khí và chất lỏng: nhỏ hơn chất rắn
rất nhiều và giảm khi nhiệt độ tăng
Tên chất λ, W/mK
Đồng 384
Nhôm 203.5
Thép cacbon 46.5
Chì 34.9
Thép không gỉ 23.2

23. Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier
Xét phân tố dv=dx.dy.dz trong một vật thể rắn, liên tục, đồng nhất và đẵng hướng
Phương trình cân bằng năng lượng của phân tố sau thời gian dτ : dQ = dQ1 + dQv
dQ1: Nhiệt lượng vào và tích lũy trong dv sau dτ
dQv: Nhiệt lượng sinh ra (hấp thu) bởi nguồn bên trong sau dτ
dQ: biến đổi nội năng của dv sau dτ
Dọc Ox, ⊥ mặt dydz
- Nhiệt lượng truyền vào sau dτ :
x x
dQ q dy dz d
=    
- Nhiệt lượng truyền ra sau dτ :
x dx x dx
dQ q dydz d
+ +
=   
- Chênh lệch nhiệt lượng truyền theo phương Ox:
x x x dx x x dx
dQ dQ dQ q dydzd q dydz d
. .
+ +
= − =  −  
1

24. Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier
- Triển khai hàm qx+dx(liên tục) thành chuỗi Taylor :
x x
x dx x
q q dx
q q dx
x x
...
!
+
 
= + +  +
 
2 2
2 2
hay x
x dx x
q
q q dx
x
+

 +

Vậy :

= −   

x
x
q
dQ dxdydz d
x
1
y
y
q
dQ dxdydz d
y

= −   

1

= −   
z
z
q
dQ dxdydz d
dz
1
y
x z
dv
q
q q
dQ dxdydz d
x y z
( )

 
= − + +   
  
1
Nhiệt lượng do nguồn nhiệt bên trong:
v v
dQ q dv d
=    Với qv, (W/m3), nói chung qv= f(x,y,z,τ,…) = f(T)
G
T
T
dQ c dv d



=    

Biến thiên nội năng phân tố dv là:
Nhiệt lượng vào và tích lũy trong dv sau dτ

26. Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier
y
x z v
q
q q q
T
c x y z c
( )

 

= − + + +
     
1
Phương trình cân bằng năng lượng của phân tố sau thời gian dτ
x
T
q
x

= − 

y
T
q
y

= − 
 z
T
q
z

= − 

Theo định luật dẫn nhiệt Fourier: ; ;
→ Phương trình dẫn nhiệt trong vật rắn; phương trình Fourier
 Truyền nhiệt ổn định
hay



 c
a
c
q
T
a
T v
=
+

=


;
2
)
,
,
(
0
0
z
y
x
f
T
T
qv
=






=


=

0
2
2
2
2
2
2
=


+


+


z
T
y
T
x
T hay : phương trình Laplace
0
2
=
 T
0
2
2
2
2
2
2
=
+










+


+


=





 c
q
z
T
y
T
x
T
c
T v

37. Ví dụ ôn tập
 Sv xem ví dụ 9.4 và 9.6 trang 193-195
 Làm bài tập 9.8, 9.9, 9.10, 9.12, theo Tài
liệu Nhiệt động học kỹ thuật và Truyền
nhiệt, cuốn Bài tập (Tài liệu số 7)

41. Ví dụ ôn tập
 Làm bài tập 9.13, 9.15 theo Tài liệu
Nhiệt động học kỹ thuật và Truyền nhiệt,
cuốn Bài tập (Tài liệu số 7)
 Thông số tương tự như bài 9.9 và 9.10,
thêm dữ liệu đường kính trong của trụ
d=1m.

72. Ví dụ 1

73. Ví dụ 2

74. Ví dụ 3