GIỚI THIỆU
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích hệ thống làm lạnh trong nhà máy bia và tính toán tổn thất nhiệt Bằng cách áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế, nghiên cứu giúp sinh viên nắm vững kiến thức chuyên ngành và chuẩn bị tốt cho công việc sau khi ra trường.
Phạm vi nghiên cứu
Về chỉ số tồn thất nhiệt trong hệ thống làm lạnh của nhà máy bia
Phương pháp nghiên cứu
Hiểu rõ về các tổn thất nhiệt mà hệ thống thải ra giúp xác định các yếu tố mất mát và lợi ích tiềm năng Việc nắm bắt thông tin này không chỉ hỗ trợ trong việc thống kê lý thuyết mà còn có thể áp dụng vào thực tiễn công việc sau này.
Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 3 Nội Dung Thực Hiện
Chương 4 Kết Quả Thực Hiện
Kết cấu của chuyên đề
2.1 Truyền nhiê ̣t bằng dẫn nhiê ̣t :
Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật hoặc các phần của một vật khi chúng tiếp xúc trực tiếp và có sự chênh lệch nhiệt độ Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta cần nắm vững một số khái niệm cơ bản liên quan đến dẫn nhiệt.
Trường nhiệt độ là tập hợp các giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm cụ thể Nhiệt độ có thể được biểu diễn bằng tọa độ Descartes, tọa độ trụ hoặc tọa độ cầu.
Mặt đẳng nhiệt là quỹ tích của những điểm có nhiệt độ giống nhau tại một thời điểm nhất định Tại một thời điểm, không thể có hai giá trị nhiệt độ tại cùng một điểm trong vật, do đó các mặt đẳng nhiệt không bao giờ cắt nhau Nhiệt độ của vật chỉ thay đổi theo phương cắt của các mặt đẳng nhiệt, và độ biến thiên nhiệt độ theo phương pháp tuyến của các mặt này đạt giá trị lớn nhất.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Truyền nhiê ̣t bằng dẫn nhiê ̣t
Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật hoặc các phần của một vật có sự chênh lệch nhiệt độ và tiếp xúc trực tiếp với nhau Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta cần nắm vững một số khái niệm cơ bản liên quan đến dẫn nhiệt.
Trường nhiệt độ là tập hợp các giá trị nhiệt độ tại nhiều điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm cụ thể Nhiệt độ có thể được biểu diễn thông qua tọa độ Descartes, tọa độ trụ hoặc tọa độ cầu.
Mặt đẳng nhiệt là quỹ tích của các điểm có nhiệt độ đồng nhất tại một thời điểm nhất định Tại thời điểm đó, một điểm trong vật không thể có hai giá trị nhiệt độ khác nhau, dẫn đến việc các mặt đẳng nhiệt không bao giờ cắt nhau Nhiệt độ của vật chỉ thay đổi theo phương cắt của các mặt đẳng nhiệt, và độ biến thiên nhiệt độ theo phương pháp tuyến của các mặt đẳng nhiệt đạt giá trị lớn nhất.
2.1.2: Phương pháp tính toán bài toán dẫn nhiê ̣t Định luật fourier và phương trình vi phân dẫn nhiệt : Định luật Fourier được phát biểu như sau: “Nhiệt lượng 𝑑𝑄𝜏 truyền qua phần tử bề mặt đẳng nhiệt 𝑑𝐴 trong khoảng thời gian 𝑑𝜏 tỷ lệ thuận với Gradient nhiệt độ”
𝑑𝑄𝜏 = −𝑛𝑜𝜆 𝜕𝑇 𝜕𝑛 𝑑𝐴𝑑𝜏 (𝐽) Nhiệt lượng truyền truyền qua một đơn vị bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian được gọi là mật độ dòng nhiệt: 𝑞 = −𝑛𝑜𝜆 𝜕𝑇 𝜕𝑛 (𝑊/𝑚 2 ) Điều kiện đơn trị
Điều kiện biên loại 1 xác định nhiệt độ bề mặt khi chưa có thông tin về dòng nhiệt qua diện tích bề mặt Nhiệt độ này thường được đo trực tiếp, đơn giản và dễ dàng.
Điều kiện biên loại 2 liên quan đến dòng nhiệt truyền qua bề mặt mà không xác định được nhiệt độ trên bề mặt Khi có đủ dữ liệu về truyền năng lượng, dòng nhiệt tại bề mặt có thể trở thành điều kiện biên Điều kiện biên này được thể hiện qua định luật Fourier trong dẫn nhiệt.
Điều kiện biên loại 3 xác định nhiệt độ môi trường và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật và môi trường xung quanh Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời qua ba dạng cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, và phương trình cân bằng năng lượng sẽ được áp dụng trong trường hợp này.
Trong điều kiện biên loại 4, khi dẫn nhiệt giữa các vật liệu khác nhau, bề mặt tiếp xúc của hai vật cần có cùng nhiệt độ và không được tích trữ năng lượng Điều này đảm bảo rằng quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả và đồng nhất giữa các lớp vật liệu.
2.1.3 Các dạng truyền nhiê ̣t bằng dẫn nhiê ̣t cơ bản:
Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách phẳng :
Kết hợp với định luật Fourier ta có:
(3.2) Áp dụng những điều kiện biên và lấy tích phân phương trình (3.2) Ta có:
Vách phẳng nhiều lớp thường được hình thành từ việc ghép nối nhiều lớp vật liệu như gạch, hồ và sơn Để tính toán cho vách phẳng nhiều lớp, ta áp dụng nguyên tắc nhiệt điện trở nối tiếp Trong trường hợp vách phẳng có hai lớp, các điều kiện tính toán tương tự như khi chỉ có một lớp.
Mạng nhiệt điện trở có thể được áp dụng để giải quyết bài toán trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt Mỗi vách phẳng được xem như một điện trở nhiệt, có thể được mắc nối tiếp, song song hoặc theo cách hỗn hợp Phương pháp này giúp đơn giản hóa việc giải quyết bài toán nhiệt.
Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách trụ :
Vách trụ một lớp được xem xét trong ống trụ đồng chất và đẳng hướng với chiều dài 𝐿 và bán kính trong, ngoài lần lượt là 𝑟1 và 𝑟2 Hệ số dẫn nhiệt 𝜆 được coi là hằng số, trong khi nhiệt độ bề mặt vách được ký hiệu là 𝑇1 và 𝑇2 Quá trình truyền nhiệt qua ống trụ diễn ra ổn định và chỉ theo chiều trục bán kính Dựa vào phương trình cân bằng năng lượng cho vách trụ, ta có thể phân tích chi tiết hơn về quá trình này.
Kết hợp với định luật Fourier, ta áp dụng các điều kiện biên và thực hiện tích phân phương trình (3.9) để tính toán Trong đó, 𝐴 = 2𝜋𝑟𝐿 đại diện cho diện tích của vách trụ Cần lưu ý rằng diện tích của mỗi mặt đẳng nhiệt trên vách trụ không giống nhau, nhưng nhiệt lượng trao đổi qua các mặt này lại bằng nhau Tương tự, điều này cũng áp dụng cho vách trụ có 𝑛 lớp.
- Bảng 3.1: Hệ số hình dạng dẫn nhiệt
Truyền nhiê ̣t bằng đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt giữa bề mặt vật rắn và môi chất đang chuyển động Quá trình này phụ thuộc vào sự chuyển động của môi chất; nếu chuyển động do tác động nhân tạo như quạt, bơm hay máy nén, thì được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Ngược lại, nếu môi chất chuyển động tự nhiên do sự thay đổi khối lượng riêng do nhiệt độ, thì gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên.
2.2.2 Các phương pháp tính bài toán đối lưu Để thuận tiện cho việc tính toán trong trao đổi nhiệt đối lưu thường sử dụng công thức Newton :
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu :
Do đó, hệ số truyền nhiệt đối lưu có thể được hiểu là một hàm của rất nhiều các thông số :
Tiêu chuẩn Nusselt: Đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt tại lớp biên giữa vách và dòng môi chất:
Tiêu chuẩn Reynolds: Đặc trưng cho mối quan hệ giữa lực quán tính và tính nhớt của môi chất.
Tiêu chuẩn Grashof: Đặc trưng cho lực đẩy Archmedes xuất hiện trong dòng môi chất do sự chênh lệch về tỷ trọng
Tiêu chuẩn Prandtl: Đặc trưng cho ảnh hưởng của các thông số vật lý của môi chất đến quá trình tỏa nhiệt đối lưu
Tiêu chuẩn Rayleigh: Ra = Gr * Pr
Trong trao đổi nhiệt đối lưu ổn định, qua phép biến đổi đồng dạng ta xác định được phương trình tiêu chuẩn có dạng:
2.2.3 Các dạng truyền nhiê ̣t bằng đối lưu cơ bản
- Đổi nhiệt đối lưu tự nhiên
Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên là quá trình mà môi chất di chuyển do sự chênh lệch khối lượng riêng khi nhiệt độ thay đổi.
Trong bài toán trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn, chúng ta áp dụng công thức Newton để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Hệ số này phụ thuộc vào hình dạng và hướng của bề mặt vật rắn, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt, cũng như tính chất nhiệt vật lý của môi chất Qua thực nghiệm, hệ số Nusselt có thể được xác định bằng công thức cụ thể.
Các giá trị 𝐶 và 𝑛 phụ thuộc vào hình dạng bề mặt và chế độ chảy của môi chất Trình tự tính toán cho bài toán trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng được mô tả chi tiết trong Bảng 5.1.
BẢNG 5.1: MỘT SỐ MÔ HÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN TRONG
BẢNG 5.2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN TRONG KHÔNG GIAN HẸP
- Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức:
Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức là dạng trao đổi nhiệt đối lưu mà môi chất chuyển động do nhân tạo (bơm, quạt, máy nén…).
Trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức được chia làm hai phần: dòng chảy bên ngoài và dòng chảy bên trong ống.
Nhiệt độ tính toán trong bài toán trao đổi nhiệt đối lưu bên trong ống được xác định là nhiệt độ trung bình của môi chất.
- Kích thước tính toán được xác định phụ thuộc vào hình dạng ống:
+ Đối với những ống khác hình tròn: 𝐿𝑐 = 𝐷𝑡𝑑 = 4 A C
Trong đó: 𝐴𝑐 (𝑚2 ) là diện tích của môi chất lưu động qua; 𝑈(𝑚) là chu vi ướt.
Việc xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu qua tiêu chuẩn Nusselt (Nu) và hàm của nó phụ thuộc vào chế độ chảy của dòng chảy bên trong ống Chế độ chảy của dòng môi chất được xác định thông qua hệ số Reynolds.
+ Chảy tầng: 𝑅𝑒 = ω L C v < 2.200 + Chảy quá độ: 2.200 < 𝑅𝑒 = ω L C v < 10 4
+ Chảy rối: 𝑅𝑒 = ω L C v