BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
------

------

Luận văn tốt nghiệp ñại học
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

TRUYỀN NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH:
MSSV:
Lớp:

Cần Thơ, 04 - 2012

Dương Thúy Liễu
1087042
SP Vật lý – Tin học K34


MỤC LỤC
Phần 2. NỘI DUNG .................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................................ 2
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT ..................................................................................... 2
1.1 DẪN NHIỆT.................................................................................................................... 2
1.1.1 ðịnh luật Fourier ..................................................................................................... 2

1.1.2 Hệ số dẫn nhiệt ......................................................................................................... 3
1.2 TRAO ðỔI NHIỆT ðỐI LƯU...................................................................................... 7
1.3 TRAO ðỔI NHIỆT BỨC XẠ........................................................................................ 8
1.4 TRAO ðỔI NHIỆT PHỨC TẠP................................................................................... 9
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................................. 10
TRUYỀN NHIỆT ................................................................................................................... 11
2.1 TRUYỀN NHIỆT ......................................................................................................... 11
2.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi ..................................................................... 12
2.1.2 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh ............................................................................ 17
2.2 TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT............................................................................. 20
2.3 CÁCH NHIỆT – ðƯỜNG KÍNH CÁCH NHIỆT TỚI HẠN................................... 21
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................................. 23
THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT ............................................................................................ 23
3.1 KHÁI NIỆM...................................................................................................................... 23
3.2.1 Phân loại theo chiều chuyển ñộng của môi chất .......................................................... 24
3.2.3 Phân loại theo sự làm việc của môi chất ....................................................................... 24
3.2.4.1 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu vách ngăn.......................................................................... 24
Trong thiết bị trao ñổi nhiệt này, các chất trải nhiệt trao ñổi nhiệt với nhau một cách liên tục
hoặc chu kỳ thông qua vách ngăn cách. Ví dụ, các bình ngưng hơi, các bộ quá nhiệt, bộ làm
mát nước của ñộng cơ…........................................................................................................... 24
3.2.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt ........................................................................... 25
3.2.4.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu tiếp xúc.............................................................................. 26
3.2.4.4 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hỗn hợp ............................................................................. 26
3.3 YÊU CẦU ðỐI VỚI THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT ................................................... 27
3.3.1 Yêu cầu chung ................................................................................................................ 27
3.3.2 Chọn ñường chuyển ñộng cho dòng môi chất .............................................................. 28
3.3.2.1 Chất ñi bên trong ống, chất ñi bên ngoài ống .............................................................. 28
3.3.2.2 Chất ñi bên ngoài ống chuyển ñộng dọc ống hay cắt ngang........................................ 28
3.3.2.3 Tốc ñộ chuyển ñộng của dòng môi chất ....................................................................... 28



Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

3.3.3 Hệ số năng lượng và thông số kết cấu........................................................................... 29
3.3.3.1 Hệ số năng lượng.......................................................................................................... 29
3.3.3.2 Thông số kết cấu ........................................................................................................... 29
3.4 CẤU TẠO THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT LOẠI VÁCH NGĂN ............................... 29
3.4.1 Loại vỏ bọc ...................................................................................................................... 29
3.4.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại ống....................................................................................... 30
3.4.2.1 Ống xoắn ...................................................................................................................... 30
3.4.2.3 Loại ống lồng ống......................................................................................................... 32
3.4.2.4 Loại ống vỏ, ống chùm ................................................................................................. 32
a. Cấu tạo .................................................................................................................................. 32
b. Nguyên lý hoạt ñộng ............................................................................................................ 34
c. Ưu, nhược ñiểm .................................................................................................................... 34
d. Lắp ñặt .................................................................................................................................. 35
e. Ứng dụng .............................................................................................................................. 35
3.4.2.5 Thiết bị trao ñổi nhiệt loại ống có cánh ....................................................................... 36
3.4.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt dạng tấm (dạng khung bản)...................................................... 36
3.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT ........................................... 36
3.5.1 Chọn tốc ñộ chuyển ñộng của môi chất......................................................................... 36
3.5.2 Xác ñịnh hiệu số nhiệt ñộ trung bình ............................................................................ 37
3.5.3 Xác ñịnh lượng nhiệt và lượng chất trao ñổi nhiệt....................................................... 37
3.5.4 Xác ñịnh hệ số truyền nhiệt ........................................................................................... 37
3.5.5 Xác ñịnh bề mặt truyền nhiệt ......................................................................................... 37
3.6 MỘT SỐ LƯU Ý KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ TRAO ðỔI NHIỆT............................. 38
3.6.1 ðiều kiện ñể vận hành hiệu quả các thiết bị trao ñổi nhiệt.......................................... 38
3.6.1.1. ðiều kiện khí ñộng....................................................................................................... 39

3.6.1.2 ðiều kiện nhiệt.............................................................................................................. 40
3.6.1.3 Sự giãn nở nhiệt............................................................................................................ 44
3.6.1.4 ðiều khiển nhiệt – thủy lực........................................................................................... 45
3.6.2 Sự bẩn tác thiết bị trao ñổi nhiệt.................................................................................... 47
3.6.3 Vận hành thiết bị trao ñổi nhiệt kim loại ...................................................................... 48
3.6.4 Lắp ñặt thiết bị trao ñổi nhiệt......................................................................................... 50
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................................. 52
ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT............................................................ 52
4.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ỐNG NHIỆT.......................................................................... 52
4.2.1 Khái niệm ........................................................................................................................ 53

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

4.2.2 Cấu tạo ............................................................................................................................ 53
4.3 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT.............................................................................................. 55
4.3.1 Theo lực tác dụng ñể ñưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi ................................ 55
a. Ống nhiệt trọng trường (còn gọi là xiphong nhiệt)............................................................... 55
b. Ống nhiệt mao dẫn................................................................................................................ 56
c. Ống nhiệt ly tâm ................................................................................................................... 56
d. Ống nhiệt ñiện trường........................................................................................................... 56
e. Ống nhiệt từ trường .............................................................................................................. 57
f. Ống nhiệt thẩm thấu .............................................................................................................. 57
4.3.3 Theo môi chất nạp .......................................................................................................... 57

4.3.4 Theo hình dạng ống ....................................................................................................... 57
4.3.5 Theo công dụng của ống nhiệt....................................................................................... 57
4.4 ƯU ðIỂM CỦA ỐNG NHIỆT......................................................................................... 57
4.5 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT..................................................................................... 58
4.5.1 Ứng dụng của ống nhiệt trong ngành ñiện, ñiện tử ..................................................... 58
4.5.1.1 Làm mát ñộng cơ ñiện .................................................................................................. 58
4.5.1.2 Làm mát dây cáp ñiện................................................................................................... 58
4.5.1.4 Làm mát trong ngành ñiện tử ....................................................................................... 59
4.5.2 Ứng dụng trong ngành nhiệt – lạnh.............................................................................. 61
4.5.2.1 Lò nướng bánh.............................................................................................................. 61
4.5.2.2 Sử dụng nhiệt thải......................................................................................................... 62
4.5.2.3 Chế tạo bộ sấy không khí ống nhiệt.............................................................................. 64
Bảng 4.1 So sánh ưu nhược ñiểm của bộ sấy không khí .......................................................... 64
4.5.2.4 Kỹ thuật ñiều hòa không khí ......................................................................................... 64
4.5.3 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt ............................................................................ 66

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Phần 1. MỞ ðẦU
1. Lí do chọn ñề tài
Các nhà khoa học thường dùng những thiết bị ñặc biệt dùng ñể trao ñổi, hấp thụ
hoặc tỏa nhiệt ứng dụng nhiều trong công nghệ kỹ thuật cao, thiết bị nhằm thực hiện
yêu cầu này ñược gọi là thiết bị trao ñổi nhiệt. Kết cấu của thiết bị trao ñổi nhiệt ngày

càng ña dạng và chặt chẽ trên cơ sở công nghệ chế tạo hiện ñại, tuy nhiên về nguyên
tắc chung chúng vẫn phải tuân theo các quy luật cơ bản về truyền nhiệt. Nếu nắm vững
kiến thức cơ bản về truyền nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt, trong thiết kế chúng ta sẽ
chọn ñược những giải pháp hợp lý, tính toán và lựa chọn ñúng các thông số cần thiết
của thiết bị và tạo nên những thiết bị có kết cấu phù hợp với yêu cầu.
Với sự phát triển ngày càng cao của công nghệ và thiết bị mới, truyền nhiệt có
liên quan chặt chẽ và góp phần quan trọng trong vấn ñề chất lượng của thiết bị. Máy
móc do nhiều nước chế tạo phong phú về kết cấu và ña dạng về chủng loại, nhưng nếu
nắm vững kiến thức về truyền nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt sẽ giúp chúng ta dễ dàng
tìm hiểu nguyên lý sử dụng, bảo trì, sửa chữa và lựa chọn chủng loại hợp lý. Với mong
muốn tìm hiểu khái quát về lý thuyết truyền nhiệt và thiết bị trao ñổi nhiệt, ñặc biệt là
thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt cùng với những ứng dụng của nó trong ñời sống,
ñó là lý do tôi chọn ñề tài: “ TRUYỀN NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG”.
2. Mục ñích nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết truyền nhiệt, thiết bị trao ñổi nhiệt và thiết bị
trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt cùng với một số ứng dụng của nó nhằm giới thiệu ñến
người ñọc, giúp người ñọc có thể hiểu về các quá trình truyền nhiệt xảy ra trong các
thiết bị ñể dễ dàng chọn lựa, sử dụng cho phù hợp, ñồng thời tận dụng hết ưu ñiểm của
nó vận dụng thực tế.
3. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ñề tài
3.1 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu thông tin trên website
bằng cách ñọc, phân tích và tổng hợp nội dung ñể viết ñề tài,
3.2 Phương tiện nghiên cứu
- Nguồn tài liệu: Sách, báo, website,…
- Nhờ sự hướng dẫn và hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn.
4. Các bước tiến hành
Bước 1: Nhận ñề tài, trao ñổi nội dung và xác ñịnh nhiệm vụ của ñề tài cần ñạt
ñược.
Bước 2: Tìm và sưu tầm tài liệu, chọn các phần cần thiết ñể thực hiện ñề tài,

tham khảo ý kiến thầy cô và bạn bè.
Bước 3: Viết ñề cương và xin ý kiến giáo viên hướng dẫn.
Bước 4: Viết ñề tài và nộp cho giáo viên hướng dẫn, xin ý kiến tham khảo,
chỉnh sửa viết thành ñề tài hoàn chỉnh.
Bước 5: Chuẩn bị nội dung báo cáo và bảo vệ luận văn.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Phần 2. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT
Trong sản xuất, ñời sống và bảo vệ môi trường, nhiều quá trình cần tiến hành ở
ñiều kiện nhiệt ñộ xác ñịnh thì tốc ñộ của quá trình và chất lượng sản phẩm mới ñảm
bảo. Năng lượng truyền ñi dưới dạng nhiệt không thể ño ñược trực tiếp nhưng có thể
xác ñịnh ñược thông qua ñại lượng vật lí ño ñược là nhiệt ñộ. ðể giữ ñược nhiệt ñộ của
quá trình theo yêu cầu, trong sản xuất thường tiến hành các quá trình truyền nhiệt. Các
quá trình nhiệt có thể là những quá trình có ích như: quá trình ñun, nấu, gia nhiệt, làm
lạnh… chúng ta cần phải gia tăng khả năng trao ñổi của chúng. Nhưng các quá trình
nhiệt cũng có thể là những quá trình không mong muốn như: tổn thất nhiệt, hỏa
hoạn… khi ñó chúng ta cần phải hạn chế khả năng trao ñổi của chúng bằng các biện
pháp kỹ thuật, công nghệ.
Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra ñồng thời bởi ba dạng trao ñổi

nhiệt cơ bản là: trao ñổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao ñổi nhiệt ñối lưu và trao ñổi nhiệt
bức xạ.
1.1 DẪN NHIỆT
Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt ñộ cao ñến vùng có
nhiệt ñộ thấp do sự truyền ñộng năng hoặc va chạm của các phân tử và nguyên tử.
Hiện tượng truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt không chỉ phát sinh ở thể rắn, mà trong thể
lỏng, thể khí cũng có. Trong thể rắn, nhiệt năng truyền ñi chủ yếu dựa vào tác dụng
của sóng dao ñộng các nguyên tử và phân tử; trong thể lỏng, chủ yếu dựa vào sự vận
ñộng dịch chuyển của phân tử vật chất; trong kim loại rắn chủ yếu dựa vào sự chuyển
ñộng của các ñiện tử tự do. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thuần túy chỉ có trong vật ñặc
lí tưởng.
1.1.1 ðịnh luật Fourier
ðịnh luật cơ bản về dẫn nhiệt ñược thực hiện ñầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở
quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán lý Joseph Fourier,
ông là người ñã ứng dụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết về nhiệt.
ðịnh luật này phát biểu: “Mật ñộ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn
nhiệt theo phương qui ñịnh tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và
gradient nhiệt ñộ theo phương ấy trong một ñơn vị thời gian”. Ví dụ dòng nhiệt theo
phương x, ñịnh luật Fourier thể hiện như sau:
Q x = −λ F

Hoặc

qx =

∂T
, W
∂x

(1.1a)


Qx
∂T
= −λ
, W / m2
F
∂x

(1.1b)

Ở ñây : Qx là dòng nhiệt truyền qua diện tích F, ñơn vị J/s.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

qx là mật ñộ dòng nhiệt, ñơn vị W/m2.
F là diện tích bề mặt truyền nhiệt qua, ñơn vị m2.
Do qui ước chiều dương vủa vectơ gradient nhiệt ñộ là chiều tăng của nhiệt ñộ
còn vectơ mật ñộ dòng nhiệt luôn ñi từ nhiệt ñộ cao ñến nhiệt ñộ thấp nên có dấu “-”
trong phương trình trên.
Thực nghiệm ñã xác minh hệ số tỷ lệ λ trong phương trình (1.1) là một thông
số vật lý của vật liệu ñặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật ñược gọi là hệ số dẫn
nhiệt.

1.1.2 Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật nói chung phụ thuộc vào áp suất, nhiệt ñộ và ñược xác
ñịnh bằng thực nghiệm. Thông thường trong các thực nghiệm làm thế nào xác ñịnh
mật ñộ dòng nhiệt và gradient nhiệt ñộ thì hệ số dẫn nhiệt sẽ ñược tìm theo công thức:
λ=

q
gradt

,

W/m.ñộ

(1.2)

Từ (1.2) ta thấy hệ số dẫn nhiệt về trị số bằng nhiệt lượng truyền qua 1 ñơn vị
bề mặt ñẳng nhiệt trong 1 ñơn vị thời gian khi gradient nhiệt ñộ bằng 1. Thực nghiệm
chứng tỏ rằng hầu hết các vật liệu, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt ñộ theo quan hệ
ñường thẳng:
λ = λ0 (1 + bt )

(1.3)

Ở ñây: λ0 là hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt ñộ 00C.
b là hằng số xác ñịnh bằng thực nghiệm.
Trong tính toán thực tế có thể xem hệ số dẫn nhiệt là một hằng số dương ứng
với nhiệt ñộ trung bình của nhiệt ñộ giới hạn hai ñầu. G.M. Conrachiep ñã chứng
minh: phương pháp thay thế này ñúng với bất kì vật có hình dáng khác nhau trong
trường hợp dẫn nhiệt ổn ñịnh.
1.1.2.1 Hệ số dẫn nhiệt của chất khí

Hầu hết các chất khí, khi nhiệt ñộ của nó cách xa nhiệt ñộ tới hạn và áp suất
tương ñối bé, có thể giần ñúng xem như khí lý tưởng. Theo thuyết ñộng học phân tử,
trong ñiều kiện áp suất và nhiệt ñộ bình thường, sự truyền nhiệt năng bằng dẫn nhiệt
trong chất khí ñược xác ñịnh bởi sự truyền ñộng năng phân tử chuyển ñộng hỗn loạn
và sự va chạm của các phân tử chất khí. Hệ số dẫn nhiệt ñược xác ñịnh theo biểu thức:
1
3

− −

λ = ω l cv ρ

Ở ñây:

(1.4)

−

ω là tốc ñộ toàn phương trung bình của phân tử khí.
−

l là khoảng ñường tự do trung bình của phân tử khí.

c v là nhiệt dung riêng ñẳng tích của chất khí.
ρ là khối lượng riêng của chất khí.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 3



Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Hình 1.2 Hệ số dẫn nhiệt
của hyñrô và hêli

Hình 1.1 λ (t ) chất khí
(1) Hơi nước. (2) Khí CO2. (3) Không khí
(4) Acgôn. (5) Ôxy. (6) Nitơ.

−

Khi áp suất tăng thì ρ tăng, giảm l và
−

tích số ρ l vẫn giữ không ñổi, vì thế
nói chung áp suất thường gặp trong kỹ thuật, hệ số dẫn nhiệt hầu như không phụ thuộc
áp suất quá thấp (<20 mmHg) và áp suất quá cao (>20000 bar).
Tốc ñộ toàn phương trung bình của các phân tử khí phụ thuộc nhiệt ñộ:
−

ω=

3Rµ T

µ


R µ là hằng số phổ biến của chất khí, bằng 8314,1 J/kmol.ñộ.
µ là phân tử lượng của khí.

T là nhiệt ñộ khí, 0K.
Khi nhiệt ñộ tăng nhiệt dung riêng của khí tăng. Hệ số dẫn nhiệt của khí
nằm trong giới hạn λ = 0,006 ñến λ = 0,6 W/m.ñộ.
Trên hình 1.1 cho biết hệ số dẫn nhiệt của một số khí phụ thuộc nhiệt ñộ.
Hêli với hydro có hệ số dẫn nhiệt tương ñối lớn khoảng 5 ÷ 10 lần so với các khí khác,
ñiều này có thể giải thích ñược là do phân tử hêli và hydro có khối lượng bé nên tốc ñộ
trung bình của nó lớn (xem hình 1.2).

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Hệ số dẫn nhiệt của hơi nước và khí thực có khác với khí lý tưởng bởi vì lực
tương tác giữa các phân tử phụ thuộc vào áp suất.
ðối với hỗn hợp khí, hệ số dẫn nhiệt chỉ có thể xác ñịnh bằng thực nghiệm
bởi vì ñịnh luật xếp chồng lẫn nhau ở ñây không ñúng.
1.1.2.2 Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng giọt
Cơ cấu truyền nhiệt năng trong chất lỏng giọt có thể xem như sự truyền
năng lượng của dao ñộng ñàn hồi hỗn loạn. Giả thiết vật lý về cơ cấu truyền nhiệt năng
trong chất lỏng giọt như thế ñã ñược A.C. Pretvaditchenliep phát biểu thành lý luận,
N.B. Vagaptitki ứng dụng ñể giải thích các số liệu thí nghiệm và thực tế chứng minh

rằng hầu hết chất lỏng giọt ñều phù hợp với lý thuyết. Trên cơ sở của lý thuyết ấy hệ
số dẫn nhiệt của chất lỏng giọt có thể tính theo công thức sau:

λ=A

cpρ

µ

4
3

(1.5)

1
3

cp là nhiệt dung riêng ñẳng áp của chất lỏng.
ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.
µ là phân tử lượng.

Hệ số A tỷ lệ thuận với tốc ñộ truyền sóng ñàn hồi trong chất lỏng và
không phụ thuộc bản chất của chất lỏng nhưng phụ thuộc nhiệt ñộ, khi lấy Atb = const.
Khi nhiệt ñộ tăng
thì ρ của chất lỏng giảm,
vì phân tử lượng không
thay ñổi nên hệ số dẫn
nhiệt sẽ giảm ( ñối với
chất lỏng không có sự tập
hợp hoặc tập hợp yếu).

ðối với chất lỏng tập hợp
mạnh ñể tính sự thay ñổi
phân tử lượng. Hệ số tập
hợp cũng phụ thuộc nhiệt
ñộ, vì thế ở nhiệt ñộ khác
nhau ảnh hưởng của nó
ñối với hệ số dẫn nhiệt sẽ
khác nhau.

Hình 1.3 λ (t ) của các chất lỏng.
(1)Dầu vazơlin. (2)Benzôn. (3)Axêtôn. (4)Dầu thầu
dầu. (5)Rược êtilic. (6) Rượu mêtilic. (7) Glixêrin.
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

Thực nghiệm chứng
tỏ rằng hầu hết chất lỏng
có hệ số dẫn nhiệt giảm
khi nhiệt ñộ tăng trừ nước
và glixerin (hình 1.3) và
hệ số dẫn nhiệt tăng khi
áp suất tăng. Hệ số dẫn
nhiệt của chất lỏng giọt
SVTH: Dương Thúy Liễu

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng


nằm trong khoảng λ = 0,07 ñến λ = 0,7 W/m.ñộ.
1.1.2.3 Hệ số dẫn nhiệt của vật rắn
1.1.2.3.1 Kim loại và hợp kim
Sự truyền nhiệt năng trong
kim loại chủ yếu là do các ñiện tử tự do,
có thể tương tự như khí lý tưởng một
nguyên tử, còn dao ñộng của các nguyên
tử dưới dạng sóng ñàn hồi không ñáng
kể. Do chuyển ñộng của các ñiện tử tự do
sẽ ñưa ñến sự cân bằng nhiệt ñộ của các
chỗ nóng và lạnh trong kim loại. ðiện tử
tự do chuyển ñộng từ vùng có nhiệt ñộ
cao ñến vùng có nhiệt ñộ thấp và cũng có
thể theo chiều ngược lại. Trong trường
hợp thứ nhất nó cung cấp năng lượng cho
nguyên tử, còn trường hợp thứ hai thì
Hình 1.4 Hệ số dẫn nhiệt của một số
ngược lại. Bởi vì trong kim loại truyền
nhiệt và truyền ñiện ñều do ñiện tử tự do kim loại nguyên chất phụ thuộc nhiệt ñộ.
cho nên hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn ñiện
tỷ lệ thuận với nhau. Khi nhiệt ñộ tăng làm cho sự hỗn loạn của ñiện tử tự do tăng lên,
do ñó hệ số dẫn nhiệt và dẫn ñiện trong kim loại giảm xuống (hình 1.4).
Trong kim loại khi có lẫn các tạp
chất khác thì hệ số dẫn nhiệt của nó
giảm ñi rất nhanh, sở dĩ xảy ra như vậy
là do sự tăng tính hỗn loạn của kết cấu
dẫn ñến làm tăng sự phân tán của các
ñiện tử tự do. Ví dụ ñồng nguyên chất
λ = 396 W/m.ñộ nhưng nếu cho thêm

As (asen) vào thì λ =142 W/m.ñộ.
Khác với kim loại nguyên chất, hệ số
dẫn nhiệt của hợp kim tăng khi nhiệt ñộ
tăng.

Hình 1.5 λ (t ) của một số hợp kim
(1)ðồng thau 18. (2) ðồng thau 30. (3)
ðồng thau 12. (4)Hợp kim NiCr.
(5)ðồng thanh. (6) ðồng thanh
maganin. (7)ðồng thanh làm ñạn.
(8)Hợp kim thiếc và kẽm. (9)ðồng
phôtpho.
(10)Hợp
kim
trắng.
(11)Côngxtăngtan. (12)Thép mônen.
(13)maganin. (14)Thép niken. (15) Hợp
kim lỏng thiết với kẽm.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

Hệ số dẫn nhiệt thay ñổi theo
nhiệt ñộ, ña số kim loại nguyên chất có
hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt ñộ tăng
nhưng ñối với chất khí và vật liệu cách
nhiệt thì ngược lại, hệ số dẫn nhiệt tăng
khi nhiệt ñộ tăng. Cần lưu ý là ở nhiệt
ñộ rất thấp quan hệ này rất phức tạp, hệ
số dẫn nhiệt có sự biến ñổi rất lớn khi
thay ñổi nhiệt ñộ, muốn biết tường tận

cần xem xét thêm các tài liệu về chuyên
ñề này.

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

1.1.2.3.2 Vật rắn cách ñiện
ðối với các chất cách ñiện thông thường hệ số dẫn nhiệt tăng khi nhiệt ñộ
tăng (hình 1.6), nói chung hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào kết cấu, ñộ xốp và ñộ ẩm của
vật liệu, khi khối lượng riêng tăng thì hệ số dẫn nhiệt cũng tăng.

Hình 1.6 λ (t ) của vật liệu xây dựng và cách
nhiệt. (1)Không khí. (2)Dạ khoáng. (3)Bông
xỉ. (4)Nliuven. (5)Xôvenlit. (6)Gạch
diatômit. (7)Gạch ñỏ. (8) Gạch bêtoong xỉ.
(9)Gạch samôt.

Phần lớn vật liệu xây dựng và
cách nhiệt có ñộ xốp (gạch, bêtông,
amiăng… ) cho nên áp dụng ñịnh luật
Fourier ñối với những vật ấy chỉ ñúng
ở một chừng mực nhất ñịnh. Sự tồn tại
các lỗ trong vật liệu không cho phép
khảo sát những vật ấy như môi trường
liên tục. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

xốp phụ thuộc khối lượng riêng ρ của
nó, ví dụ ñối với amiăng khi tăng ρ từ
400 ñến 800 kg/m3 hệ số dẫn nhiệt sẽ
tăng từ 0,105 ñến 0,248 W/m.ñộ, ñiều
này có thể giải thích là do sự tồn tại
của không khí (hệ số dẫn nhiệt của
không khí nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của
vật liệu).

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp
còn phụ thuộc rất nhiều vào ñộ ẩm.
ðối với vật liệu ẩm hệ số dẫn nhiệt có
giá trị lớn hơn vật liệu khô và nước. Ví
dụ ñối với gạch khô λ = 0.35W/m.ñộ,
ñối với nước λ = 0.60 W/m.ñộ còn ñối với gạch ẩm λ =1W/m.ñộ. Hiệu ứng này có thể
giải thích ñược bởi sự truyền nhiệt ñối lưu xảy ra do chuyển ñộng mao dẫn của nước
trong vật liệu cách nhiệt nắm trong khoảng 0.023 ñến λ = 0.25 W/m.ñộ.
Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt bé hơn λ = 0.25 W/m.ñộ thường dùng ñể cách
nhiệt và gọi là vật liệu cách nhiệt.
1.2 TRAO ðỔI NHIỆT ðỐI LƯU
Trao ñổi nhiệt ñối lưu là quá trình truyền nhiệt năng khi môi chất dịch chuyển
trong không gian từ vùng có nhiệt ñộ này tới vùng có nhiệt ñộ khác và chỉ xảy ra trong
chất lỏng (gồm cả chất khí), vì sự truyền nhiệt lượng luôn gắn với sự chuyển ñộng của
môi trường. Quá trình trao ñổi nhiệt bằng ñối lưu luôn kèm theo sự dẫn nhiệt, vì luôn
có những phần tử chất lỏng có nhiệt ñộ khác nhau tiếp xúc nhau, do vậy sẽ xảy ra sự
dẫn nhiệt trong khối chất lỏng ñó. Tuy nhiên, quá trình truyền nhiệt ở ñây chủ yếu là
do ñối lưu, nên gọi là trao ñổi nhiệt ñối lưu.
Trong thực tế, ta thường gặp quá trình trao ñổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với chất
lỏng (hay khí) chuyển ñộng. Quá trình trao ñổi nhiệt xảy ra khi bề mặt vật rắn và chất
lỏng có nhiệt ñộ khác nhau tiếp xúc với nhau và ñồng thời xảy ra quá trình dẫn nhiệt

và ñối lưu nhiệt gọi là quá trình tỏa nhiệt ñối lưu. Tỏa nhiệt ñối lưu chỉ xảy ra khi có
sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa bề mặt vật rắn và môi trường xung quanh.
Trao ñổi nhiệt ñối lưu gồm có ñối lưu tự nhiên và ñối lưu cưỡng bức.
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

ðối lưu tự nhiên là sự chuyển ñộng của các phần tử chất lỏng do sự chênh lệch
mật ñộ giữa chúng vì có sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa các phần tử này.
ðối lưu cưỡng bức là sự chuyển ñộng của chất lỏng hoặc khí do có tác dụng bên
ngoài như: bơm, quạt, máy nén, cánh khuấy…
Quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu cưỡng bức mãnh liệt hơn ñối lưu tự nhiên (xem
bảng 1.1).
Bảng 1.1 Hệ số tỏa nhiệt ñối lưu trong một số trường hợp tổng quát
Giá trị của hệ số tỏa
nhiệt ñối lưu (W/m2K)

Kiểu ñối lưu

Mô tả

ðối lưu tự
nhiên


Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi
chênh lệch nhiệt ñộ

10 (gas)
100 (liquid)
100 (gas)

ðối lưu cưỡng Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi
bức
chênh lệch áp suất bằng bơm hoặc quạt

1.000(liquid)

Tỏa nhiệt khi
sôi

Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi
sự chuyển pha từ lỏng thành hơi

20.000

Tỏa nhiệt khi
ngưng

Chuyển ñộng của chất lỏng gây ra bởi
sự chuyển pha từ hơi thành lỏng

20.000

Trong kỹ thuật, ñể tính toán ñơn giản quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu người ta

thường dùng công thức:
Q = αF (t w − t f ) , W

(1.6)

Công thức này còn ñược gọi là truyền nhiệt theo “ñịnh luật làm lạnh của
Newton”.
Trong ñó:

Q là dòng nhiệt, ñơn vị W.
α là cường ñộ trao ñổi nhiệt ñối lưu, ñơn vị W/m2.ñộ.

F là diện tích bề mặt trao ñổi nhiệt, ñơn vị m2.
0

0

t w là nhiệt ñộ bề mặt vật rắn, ñơn vị K hoặc C.
t f là nhiệt ñộ trung bình của chất lỏng.

Tuy nhiên tính toán giải tích một cách hoàn thiện ñể tìm α là vấn ñề rất phức tạp
nên do ñó nghiên cứu thực nghiệm ñã ñóng một vài trò rất quan trọng.
Ngày này nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tình và dụng cụ ño ñã tạo
ñiều kiện cho việc nghiên cứu và giảm bớt các khó khăn cho công tác nghiên cứu thực
nghiệm.
1.3 TRAO ðỔI NHIỆT BỨC XẠ
Khi hai vật có nhiệt ñộ khác nhau ñặt cách xa nhau trong môi trường chân
không thì sự truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và trao ñổi nhiệt ñối lưu không tồn tại. Trong
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành


SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

trường hợp này sự truyền nhiệt giữa các vật xảy ra là nhờ trao ñổi nhiệt bức xạ. Các
vật luôn phát năng lượng bức xạ truyền ñi trong không gian dưới dạng những photon
rời rạc theo lý thuyết Planck. Cả hai khái niệm này ñều ñược áp dụng trong việc
nghiên cứu về trao ñổi nhiệt bức xạ. Sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của vật là sự xếp
chồng vì rằng nguồn gốc bức xạ là từ bên trong vật và ñược phát thông qua về mặt vật,
ngược lại bức xạ tới gần 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 bị tắt
nhanh trên lớp rất mỏng của bề mặt vật nên còn ñược gọi là hấp thụ hoặc bức xạ bề
mặt. Ví dụ quá trình hấp thụ hoặc bức xạ xảy ra trên bề mặt kim loại các tia tắt dần
0

trong khoảng cách bề mặt chỉ vài phần trăm anstron ( A = 10 −8 cm). Sự bức xạ và hấp
thụ của chất khí luôn xảy ra như một quá trình khối vì các tia bức xạ (hoặc quá trình
hấp thụ) sẽ bị yếu dần theo quá trình xuyên qua khối khí.
Năng lượng bức xạ phát ra của vật tỷ lệ với nhiệt ñộ tuyệt ñối lũy thừa bậc 4,
ví dụ vật ñen (nghĩa là vật hoàn toàn hấp thụ và hoàn toàn bức xạ) với diện tích bề mặt
F ở nhiệt ñộ bề mặt T1 ñược ñặt trong một hệ bề mặt khép kín ở nhiệt ñội tuyệt ñối T2 ,
vật ñen sẽ phát ra năng lượng bức xạ tổng cộng là FσT14 và hấp thụ năng lượng bức xạ
tổng cộng FσT24 , do vậy năng lượng trao ñổi của bề mặt với hệ sẽ là:
Q = Fσ (T14 − T24 )

(1.7)


Ở ñây: σ là hằng số Stefan-Boltzmann ( σ =5,6697.10-8 W/m2.K4).
Nếu hai vật không hoàn toàn ñen và bề mặt không bị khép kín với nhau thì
năng lượng trao ñổi giữa hai vật sẽ là:
Q = ϕ12 Fσ (T14 − T24 )

(1.8)

Ở ñây: ϕ12 gọi là hệ số góc (hoặc hệ số chiếu xạ), nó là một hệ số mang thuần
túy tính hình học phụ thuộc vào sự bố trí hình học của hai bề mặt trao ñổi nhiệt ñược
xét ( ϕ12 <1).
Khi sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa T1 và T2 tương ñối nhỏ so với trị só T1 thì
phương trình (1.8) có thể viết dưới dạng thường sử dụng khác như sau:
Q = ϕ12 Fσ (T1 − T2 )(T1 + T2 )(T12 + T22 )

≅ϕ 12 Fσ 4T13 (T1 − T2 )

Hoặc q =
ðặt

Q
= (ϕ12 4σT13 )(T1 − T2 )
F

α bx ≡ ϕ12 4σT13

(1.9)
(1.10)

Nó ñược gọi là hệ số trao ñổi nhiệt bức xạ, phương trình (1.9) có thể viết lại

dưới dạng:
q = α bx (T 1−T2 )

(1.11)

Phương trình này về hình thức giống dạng phương trình (1.6) ñã ñề cập ñến
trong phần trao ñổi nhiệt ñối lưu nhưng chỉ áp dụng với ñiều kiện:
(T1-T2)/T1 << 1
1.4 TRAO ðỔI NHIỆT PHỨC TẠP
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Khi quá trình trao ñổi nhiệt ñối lưu và bức xạ cùng xảy ra ñồng thời với cường
ñộ mạnh thì tính toán giải tích về truyền nhiệt có xem xét ảnh hưởng tương hỗ giữa hai
dạng trao ñổi nhiệt cơ bản trên là một vấn ñề rất phức tạp. Ở một khía cạnh khác mức
ñộ hẹp hơn thường sử dụng trong kỹ thuật, chúng ra có thể xem quá trình xảy ra như là
sự sắp xếp chồng tuyến tính cuả hai dòng nhiệt với hai dạng trao ñổi nhiệt khác nhau.
Ví dụ quá trình trao ñổi nhiệt giữa sản phẩm cháy trong buồng lửa với bề mặt truyền
nhiệt, nó là quá trình xảy ra ñồng thời trao ñổi nhiệt bức xạ và ñối lưu với bề mặt hấp
thụ, ñây là quá trình trao ñổi nhiệt phức tạp. Dòng nhiệt tổng ñược xét:
q = qbx + q ñl

(1.12)


Hoặc q = α ñl (T f − Tw ) + α bx (T f − Tw )
= (α ñl + α bx )(T f − Tw )
=α ∑ (T f − Tw )

Ở ñây:

(1.13)

α ñl và α bx ñã ñược ñề cập ở phần trên.

Tf là nhiệt ñộ của sản phẩm cháy, ñơn vị 0K.
Tw là nhiệt ñô bề mặt hấp thụ, ñơn vị 0K.
α ∑ = (α ñl + α bx ) gọi là hệ số trao ñổi nhiệt phức tạp.

CHƯƠNG 2
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

TRUYỀN NHIỆT
2.1 TRUYỀN NHIỆT
Khi nghiên cứu sự truyền nhiệt lượng từ một chất lỏng nóng hơn cho một chất
lỏng lạnh hơn qua 1 bề mặt vật rắn ngăn cách, vấn ñề sẽ phức tạp hơn nhiều. Trong

trường hợp ấy quá trình trao ñổi nhiệt do tác dụng ñồng thời của các dạng trao ñổi
nhiệt cơ bản ñã trình bày ở trên quyết ñịnh. Dưới ñây chúng ta lấy ví dụ thực tế trong
lò hơi ñể nói rõ ñiều này.
Trong lò hơi nhiệt lượng từ khí cháy truyền cho bề mặt ống nước nóng là do dẫn
nhiệt, ñối lưu và bức xạ nhiệt cùng xảy ra, ñây là vấn ñề trao ñổi nhiệt phức tạp. Nhiệt
lượng truyền qua vách thép là do dẫn nhiệt, còn nhiệt lượng truyền qua từ bề mặt vách
trong cho nước là do dẫn nhiệt và ñối lưu (tỏa nhiệt). Từ ñây có thể thấy dẫn nhiệt, ñối
lưu, bức xạ và trao ñổi nhiệt phức tạp chỉ là trường hợp riêng trong quá trình truyền
nhiệt phức tạp. Lượng nghịch ñảo của tổng nhiệt trở trong quá trình ấy là “hệ số truyền
nhiệt” k, về trị số nó biểu thị nhiệt lượng của chất lỏng này truyền cho chất lỏng khác
trong 1 ñơn vị thời gian khi ñộ chênh nhiệt ñộ giữa hai chất lỏng là 1 ñộ. Công thức
tính toán có dạng sau:
Q=

Hoặc

t f1 − t f 2
1/ k

(2.1)

F

Q = k (t f 1 − t f 2 ) F

(2.2)

Trị số của Q có thể là nhiệt lượng truyền qua trong 1 ñơn vị thời gian ñối với 1
ñơn vị ñộ dài, 1 ñơn vị diện tích hoặc 1 ñơn vị thể tích, ñiều này do chúng ta dùng
phương án nào xác ñịnh, thứ nguyên của Q, và thứ nguyên hệ số truyền nhiệt sẽ thay

ñổi theo ấy. Sau khi tính nhiệt trở cục bộ của từng quá trình thì nhiệt trở toàn phần của
quá trình truyền nhiệt là 1/k bằng tổng nhiệt trở cục bộ. Nó tương tự như ñiện trở tổng
của một mạch ñiện
mắc nối tiếp bằng tổng ñiện trở thành phần.
Tùy theo sự thay ñổi nhiệt ñộ
làm việc của hai môi chất mà
người ta chia ra truyền nhiệt
khi nhiệt ñộ không ñổi
(truyển nhiệt ñẳng nhiệt) và
truyền nhiệt khi nhiệt ñộ thay
ñổi (truyền nhiệt biến nhiệt).
Truyền nhiệt ñẳng nhiệt
là quá trình trao ñổi nhiệt xảy
ra khi nhiệt ñộ của cả hai môi
chất ñều không ñổi theo
không gian và thời gian. Hiệu
số nhiệt ñộ giữa hai môi chất
là một hằng số ở mọi vị trí và
Hình 2.1 Thiết bị ñun sôi nược bằng trao ñổi nhiệt thời gian. Ví dụ, trong thiết
phức tạp
bị bốc hơi ñược ñun nóng
bằng hơi bão hòa. Trong
trường hợp này, một phía thiết bị trao ñổi nhiệt là hơi nước ngưng tụ, một phía là chất
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 11


Luận văn tốt nghiệp


Truyền nhiệt và Ứng dụng

lỏng sôi. Nhiệt ñộ ngưng tụ của hơi nước bão hòa và nhiệt ñộ sôi của chất lỏng ñều
gần như không ñổi trong suốt truyền nhiệt.
Thông thường, ta sẽ gặp loại thiết bị trao ñổi nhiệt mà trong ñó, nhiệt ñộ của môi
chất sẽ thay ñổi dọc theo bề mặt của thiết bị ñó, nhiệt ñộ không biến ñổi theo thời gian
thì ta có truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh; còn nếu nhiệt ñộ lại biến ñổi theo thời gian thì
ta có truyền nhiệt biến nhiệt không ổn ñịnh.
Như vậy, trong truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, hiệu nhiệt ñộ giữa hai môi chất
chỉ biến ñổi theo vị trí nhưng không biến ñổi theo thời gian, và chỉ xảy ra ñối với thiết
bị làm việc liên tục; còn trong truyền nhiệt biến nhiệt không ổn ñịnh, hiệu nhiệt ñộ
giữa hai môi chất biến ñổi theo cả không gian và thời gian, và quá trình xảy ra trong
các thiết bị làm việc gián ñoạn.
Ở ñây ta chỉ xét quá trình truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi và truyền nhiệt
biến nhiệt ổn ñịnh.
2.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi
2.1.1.1 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi qua vách phẳng
* Vách phẳng một lớp
Giả sử vách phẳng có các thông số sau:
- Chiều dày vách δ , ñơn vị m;
- Diện tích truyền nhiệt F, ñơn vị m2;
- Hệ số dẫn nhiệt λ , ñơn vị W/mK;
- Nhiệt ñộ của môi chất lỏng tf1, ñơn vị 0C;
- Nhiệt ñộ của cách phía tiếp xúc
với môi chất nóng tw1, ñơn vị 0C;
- Nhiệt ñộ của cách phía tiếp xúc
với môi chất nóng tw2, ñơn vị 0C;
- Nhiệt ñộ của môi chất lạnh tf2,
ñơn vị 0C;

- Hệ số cấp nhiệt của môi chất
nóng tới vách α 1 , ñơn vị W/m2K;
- Hệ số cấp nhiệt của môi chất
nóng tới vách α 2 , ñơn vị
W/m2K;
Hình 2.2 Phân bố nhiệt ñộ khi truyền
nhiệt ñẳng nhiệt qua vách phẳng một lớp.

Quá trình truyền nhiệt qua
vách phẳng 1 lớp ñược mô tả
trong hình 2.2.

Giả sử, xét quá trình truyền
nhiệt là ổn ñịnh, lượng nhiệt
truyền qua mỗi giai ñoạn trong khoảng thời gian τ là không ñổi. Lập phương trình
trao ñổi nhiệt dựa vào quá trình trao ñổi nhiệt của từng giai ñoạn rồi cộng từng vế của

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

phương trình và biến ñổi, ta ñược công thức tính lượng nhiệt truyền qua từ môi chất
nóng ñến môi chất lạnh qua vách phẳng một lớp:
Q(


1

α1

+

λ 1
+ ) = (t f 1 − t f 2 ) F
δ α2

(t f 1 − t f 2 )
F [W ]
1 δ
1
+ +

Q=

α1

λ

(2.4)

α2

1

[W / m 2 K ]


(2.5)

∆t = t f 1 − t f 2 [ 0 C ] = T f 1 − T f 2 [ 0 K ]

(2.6)

ðặt

và:

(2.3)

K=

δ 1
+ +
α1 λ α 2
1

Phương trình (2.4) trở thành:
Q = KF∆t , [W ]

(2.7)

Mật ñộ dòng nhiệt qua vách phẳng một lớp là:
q=

Q
[W/m2]

F

(2.8)

K ñược gọi là hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền
ñi trong một ñơn vị thời gian từ môi chất nóng tới môi chất lạnh, qua một ñơn vị diện
tích bề mặt phân cách, khi hiệu số chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai môi chất là 1 ñộ.
ðơn vị của K =

Q
W
là 2 . ðại lượng nghịch ñảo của hệ số truyền nhiệt
F∆t
m .K

K gọi là là trở nhiệt R:
1
1 λ 1
R= =
+ +
,
K α1 δ α 2

Trong ñó: R =
Rb =
[

m2 K
[
]

W

(2.9)

1
m2 K
là nhiệt trở tổng, ñơn vị [
];
K
W
1

,

1

α1 α 2

: nhiệt trở của môi chất 1 và 2 tham gia trao ñổi nhiệt,

m2 K
];
W
Rv =

δ
m2 K
là nhiệt trở của vách ngăn, ñơn vị [
].
λ

W

Có thể biểu diễn công thức tính mật ñộ dòng nhiệt theo dạng ñịnh luật Ôm
trong một mạch ñiện gồm nhiều ñiện trở mắc nối tiếp.
* Vách phẳng nhiều lớp
ðối với vách phẳng nhiều lớp ta cũng chứng minh tương tự như trường hợp
vách phẳng một lớp. Hệ số K có dạng sau:

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng
K=

1

δ
1
+∑ i +
α 1 i =l λi α 2
i =n

1

, [


m2 K
]
W

(2.10)

Trong ñó:
i =n

δi

i =l

l

∑λ

=

δ
δ1 δ 2
+
+ ... + n
λ1 λ 2
λn

(2.11)

δ i là chiều dày của lớp vách thứ i;

λl là hệ số dẫn nhiệt của lớp vách thứ i;

n là số lớp vách.

Hình 2.3 Phân bố dòng nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp
2.1.1.2 Truyền nhiệt khi nhiệt ñộ không ñổi qua vách trụ
* Vách trụ một lớp:
Ta xét một vách trụ có bán kính trong r1, bán kính ngoài r2, chiều dày δ ,
ñộ dẫn nhiệt λ và chiều dài vách L. Môi chất nóng ñi trong ống có nhiệt ñộ tf1, hệ số
cấp nhiệt α 1 . Môi chất lạnh ñi ngoài ống, có nhiệt ñộ tf2 và hệ số cấp nhiệt α 2 .
Cũng như vách phẳng, lượng nhiệt truyền ñi từ môi chất chất nóng tới môi
chất lạnh qua vách trụ trải qua ban giai ñoạn:
- Cấp nhiệt từ môi chất nóng tới bề mặt trong của vách ống.
- Dẫn nhiệt qua vách ống.
- Cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của vách ống tới môi chất lạnh.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Hình 2.4 Phân bố nhiệt ñộ khi truyền nhiệt ñẳng nhiệt qua vách trụ một lớp.
Vì quá trình truyền nhiệt ổn ñịnh, nên trong khoảng thời gian τ , lượng
nhiệt truyền ñi trong ba giai ñoạn bằng nhau (Q = Q1 =Q 2 = Q3 ) .
Thành lập phương trình truyền nhiệt qua từng giai ñoạn tương tự như vách

phẳng, ta có:
Nhiệt truyền ñi từ môi chất nóng tới bề mặt trong của vách:

Do vậy:

Q = α 1 (t f 1 − t w1 )2πr1 L

(2.12)

Q
= 2πL(t f 1 − t w 2 )
α1r 1

(2.12a)

Dẫn nhiệt qua vách ống:
Q=

1

2πL(t w1 − t w 2 )
1 r2
ln
λ r1

(2.13)

r

Hay Q . ln 2 = 2πL(t w1 − t w 2 )

λ
r1

(2.13a)

Nhiệt truyền ñi từ mặt ngoài vách tới môi chất lạnh:
Q = α 2 (t w 2 − t f 2 )2πr2 L

Hay

(2.14)

Q
= (t w 2 − t f 2 )2πL
α 2 r2

(2.14a)

Cộng hai vế của ba phương trình 2.12a, 2.13a, 2.14a tương ứng với 3 giai
ñoạn trao ñổi nhiệt, ta có:
Q=(

r
1
1
1
+ . ln 2 +
) = 2π (t f 1 − t f 2 ) L (2.15)
α 1 r1 λ
r1 α 2 r2


GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Do vậy, Q =

Hay là: Q =

2π (t f 1 − t f 2 ) L
1
1 r
1
+ ln 2 +
α 1 r1 λ r1 α 2 r2

(t f 1 − t f 2 ) L
[W]
d2
1
1
1
+
+

ln
α 1πd1 2πλ d1 α 2πd 2

Nếu ñặt: K =

1
d
1
ln 2 +
+
α 1πd1 2πλ d1 α 2πd 2
1

1

(2.17)

[W/mK] (2.18)

∆t = t f 1 − t f 2

Và:
lớp là:

(2.16)

Ta có phương trình tổng quát của quá trình truyền nhiệt qua vách trụ một
Q = KL∆t [W]
(2.18a)


Hệ số K ñược gọi là hệ số truyền nhiệt của vách trụ, là lượng nhiệt truyền ñi
từ môi chất nóng tới môi chất lạnh qua một mét chiều dài vách ống trong một ñơn vị
thời gian khi hiệu số chện lệch nhiệt ñộ giữa hai môi chất là một ñộ. ðơn vị của K là
[

W
].
mK

* Truyền nhiệt ñẳng nhiệt qua vách
trụ có nhiều lớp
Tương tự như vách trụ một lớp, ñối
với vách trụ nhiều lớp (hình 4.8) thì hệ số
truyền nhiệt K có dạng sau:
K=

1
1

α 1πd1

[W/mK]

n

+∑
i =l

1
2πλi


ln

d i +1
1
+
d i α 2πd n +1

(2.19)

Trong ñó:
i: lớp vách thứ i;
n: Số lớp vách;
d1: ðường kính trong của lớp
vách trong cùng (m);

Hình 2.5 Hình ảnh phân bố dòng
nhiệt qua vách trụ nhiều lớp

dn+1: ðường kính ngoài của lớp
vách ngoài cùng (m).
Lưu ý:
Trong nhiều trường hợp, khi có lớp cặn bám trên bề mặt vách trao ñổi nhiệt
hoặc trên bề mặt vách có lớp gỉ sét sẽ làm tăng nhiệt trở của quá trình truyền nhiệt. Do
ñó, khi xác ñịnh nhiệt trở trong tính toán hệ số truyền nhiệt ta phải ñưa các nhiệt trở
này vào nhiệt trở tổng.

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

2.1.2 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh
Trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, hiệu số nhiệt ñộ giữa hai môi chất
không biến ñổi theo thời gian nhưng biến ñổi theo vị trí, tức là tương ứng với từng vị
trí của bề mặt trao ñổi nhiệt, hiệu số nhiệt ñộ giữa hai môi chất có giá trị khác nhau.
Do ñó, ta không thể tính lượng nhiệt trao ñổi với hiệu nhiệt ñộ ∆t = t1 − t 2 như trong
trường hợp truyền nhiệt ñẳng nhiệt mà phải tính theo hiệu số nhiệt ñộ trung bình
logarithm ∆t tb ñược trình bày dưới ñây.
2.1.2.1 Chiều chuyển ñộng của môi chất
Trong quá trình truyền nhiệt biến nhiệt ổn ñịnh, nhiệt ñộ của hai môi chất
biến ñỏi theo các trường hợp sau:
- Một môi chất có nhiệt ñộ không ñổi trong suốt quá trình trao ñổi nhiệt, còn
môi chất kia có nhiệt ñộ thay ñổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt từ tñ ñến tc nhưng không
biến ñổi theo thời gian.
- Cả hai môi chất cùng biến ñổi theo nhiệt ñộ theo vị trí nhưng không biến
ñổi ñổi theo thời gian.
Trong trường hợp ñầu, cũng giống như trong truyền nhiệt ñẳng nhiệt, chiều
của môi chất không ảnh hưởng ñến hiệu nhiệt ñộ trung bình trong quá trình. Tuy
nhiên, cần lưu ý chọn chiều môi chất ñể ñảm bảo ñiều kiện kỹ thuật và dễ chế tạo thiết
bị.
Trường hợp sau, cả hai môi chất cùng biến ñổi nhiệt ñộ, thì chiều chuyển
ñộng của môi chất ở cả hai phía của bề mặt vách trao ñổi nhiệt ảnh hưởng ñến quá
trình truyền nhiệt, trước hết là ảnh hưởng ñến nhiệt ñộ cuối của môi chất. Nếu nhiệt ñộ
cuối thay ñổi thì hiệu số nhiệt ñộ trung bình ∆t tb và lượng chất tải nhiệt cũng thay ñổi.

Do ñó, trong trường hợp này ta cần chú ý tới ñến việc chọn nhiều môi chất ñế sao cho
quá trình truyền nhiệt là tối ưu.
Tr

Hình 2.6 Thay ñổi nhiệt ñộ của môi chất khi truyền nhiệt biến nhiệt ổn
Trong thực tế, ta thường gặp một số sơ ñồ
biểu diễn chiều chuyển ñộng của môi chất như sau:
GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành
Trang 17

SVTH:
Dương
Hình
2.7 Một
số Thúy
sơ ñồLiễu
chiều
chuyển ñộng của môi chất


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

- Hai môi chất chuyển ñộng song song cùng chiều (sơ ñồ hình 2.7a)
- Hai môi chất chuyển ñộng song song ngược chiều (sơ ñồ hình 2.7b);
- Hai môi chất chuyển ñộng cắt nhau (sơ ñồ hình 2.7c);
- Hai môi chất chuyển ñộng hỗn hợp: một môi chất chảy theo một hướng,
môi chất kia có ñoạn chảy cùng chiều, có ñoạn chảy ngược chiều (sơ ñồ hình 2.10d)
Trong tất cả bốn trường hợp trên, nhiệt ñộ của hai môi chất cùng thay ñổi.

Môi chất nóng có nhiệt ñộ giảm từ t1ñ ñến t1c, môi chất lạnh sẽ tăng nhiệt ñộ từ t2ñ ñến
t2c. Do ñó, hiệu số nhiệt giữa hai môi chất cũng thay ñổi từ ∆t ñ ñến ∆t c .
Sau ñây là một số thiết bị truyền nhiệt thực tế:

Hình 2.8 Thiết bị trao ñổi nhiệt có 2 môi chất chuyển ñộng ngược chiều

Hình 2.9 Thiết bị trao ñổi nhiệt có hai môi chất chuyển ñộng có chiều hỗn hợp
2.1.2.2 Số nhiệt ñộ trung bình

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng
t(0C)

Hình 2.10 Biến thiên nhiệt ñộ của môi chất trong thiết bị trao ñổi nhiệt biến nhiệt
a. Trường hợp hai môi chất chảy xuôi chiều
Ta xét trường hợp hai môi chất chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao ñổi nhiệt.
Trong quá trình trao ñổi nhiệt, nhiệt ñộ của môi chất nóng giảm dần và nhiệt ñộ của
môi chất lạnh tăng dần (hình 2.10). Nhiệt dộ của hai môi chất ñều biến ñổi dọc theo bề
mặt trao ñổi nhiệt nhưng ở từng ñiểm thì nhiệt ñộ sẽ không biến ñổi theo thời gian.
Vì chuyển ñộng cùng chiều nên ñầu vào của hai dòng phải nằm cùng phía.
ðường biểu diễn nhiệt ñộ của dòng nóng luôn là ñường nằm trên và dọc theo chiều
dài của thiết bị, nhiệt ñộ môi chất giảm; ñường biểu diễn nhiệt ñộ của dòng lạnh nằm
dưới và dọc theo chiều dài của thiết bị, nhiệt ñộ môi chất tăng.

Hiệu nhiệt ñộ ∆t max , ∆t min là chênh lệch nhiệt ñộ của hia dòng môi chất tại
ñầu và ñầu ra của thiết bị. Như vậy, khi tính ∆t ta lấy 2 nhiệt ñộ cùng phía trừ nhau,
sau ñó ∆t nào có giá trị lớn hơn là ∆t max , còn ∆t nào có giá trị nhỏ hơn là ∆t min .
∆t tb =

∆t max − ∆t min
∆t
ln max
∆t min

[0C]

(2.20)

Hình 2.10 cho thấy: ∆t max = t1ñ − t 2 ñ và ∆t min = t1c − t 2c . Ở ñây ∆t tb là hiệu số
nhiệt ñộ trung bình logarit (gọi tắt là hiệu nhiệt ñộ trung bình).
Nếu trong quá trình truyền nhiệt, mà nhiệt ñộ của môi chất ít bị biến ñổi, tức
là khi tỷ số

∆t max
< 2 thì hiệu số nhiệt ñộ trung bình ∆t tb có thể ñược tính gần ñúng
∆t min

theo nhiệt ñộ trung bình số học như sau:
∆t tb =

∆t max + ∆t min 0
[ C]
2


(2.21)

b. Trong trường hợp hai môi chất chảy song song ngược chiều

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

Truyền nhiệt và Ứng dụng

Hình 2.11 Sự thay ñổi nhiệt ñộ của môi chất khi chuyển ñộng ngược chiều
Trong trường hợp hai dòng chảy ngược chiều, ta vẫn sử dụng công thức 2.20
nhưng chú ý lấy hiệu số nào lớn hơn làm hiệu số nhiệt ñộ ∆t max và hiệu số nào nhỏ làm
hiệu số nhiệt ñộ ∆t min , tức là:
∆t max = max(∆t I , ∆t II ) [0C]

(2.22)

∆t min = min(∆t I , ∆t II ) [0C]

Ở ñây: ∆t I = t1ñ − t 2c [0C]
∆t II = t1c − t 2 ñ [ C]
0

2.2 TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT
ðể tăng cường truyền nhiệt, ta cần dựa vào các dạng trao ñổi nhiệt cơ bản ñể tìm

ra những biện pháp hiệu quả nhất.
ðể tăng cường dẫn nhiệt, ta có thể giảm chiều dày của vách, dùng vật liệu làm
vách có hệ số dẫn nhiệt lớn hoặc tăng ñộ chênh lệch nhiệt ñộ giữa hai bề mặt vách.
ðể tăng cường trao ñổi nhiệt ñối lưu, ta có thể tăng cường sự rối loạn của chuyển
ñộng và tăng tốc ñộ của chất lỏng hay chất khí…
ðể tăng cường trao ñổi nhiệt bức xạ, ta có thể tăng ñộ ñen và nhiệt ñộ của các
vật…
Nhưng khi ñồng thời xảy ra các dạng trao ñổi nhiệt cơ bản, việc tăng cường
truyền nhiệt một cách hiệu quả là một vấn ñề phức tạp. ðể có giải pháp ñúng ñắn cần
phân tích từng trường hợp cụ thể. Ví dụ, ñể tăng cường truyền nhiệt qua vách, ta xét
những thành phần nào ảnh hưởng ñến hệ số truyền nhiệt. Nhưng ñể tăng hệ số truyền
nhiệt ta lại cần phải xem xét những thành phần nào ảnh hưởng ñến hệ số truyền nhiệt.
Ví dụ: hệ số truyền nhiệt K của vách phẳng một lớp (công thức 4.3) có thể tăng, nếu
1 δ
giảm các thành phần nhiệt trở
, , có ý nghĩa là tăng α 1 , α 2 và λ , giảm δ . Tuy
α1 λ
nhiên, ñể tăng cái nào có lợi hơn cần phải ñược phân tích cụ thể. Nếu bỏ qua nhiệt trở
δ
dẫn nhiệt
thì hệ số truyền nhiệt của vách phẳng, là:
λ

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành

SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 20


Luận văn tốt nghiệp


Truyền nhiệt và Ứng dụng
1

K=

1

α1

+

1

α2

=

α 1α 2
α1 + α 2

(2.23)

Giả sử lớn α 2 hơn α 1 rất nhiều, khi ñó K = α 1 . Như vậy, hệ số truyền nhiệt chỉ
có thể nhỏ hơn hay bằng hệ số tỏa nhiệt nhỏ nhất. Vì vậy, ñể tăng hệ số truyền nhiệt K
ta cần tăng hệ số tỏa nhiệt ở phía vách có giá trị nhỏ nhất, hoặc làm cánh ở phía bề mặt
này.
2.3 CÁCH NHIỆT – ðƯỜNG KÍNH CÁCH NHIỆT TỚI HẠN
Trong nhiều trường hợp, ta cần giảm dòng nhiệt truyền qua vách. Muốn vậy, ta
thực hiện việc cách nhiệt bằng cách thêm vào các lớp vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ

như stirôfo, amiăng, bông thủy tinh…
Khi bọc cách nhiệt một vật, ta cần lưu ý rằng ñối với vách phẳng ta thêm các lớp
cách nhiệt vào thì nhiệt trở toàn phần sẽ tăng, nhưng ñối với vách trụ khi thêm lớp
cách nhiệt vào có thể làm giảm nhiệt trở toàn phần.
Thực vậy, nếu ta bọc một lớp cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt vào một ống có
ñường kính ngoài d2, ñường kính ngoài của ống có bọc cách nhiệt là dcn, khi ñó nhiệt
trở dẫn nhiệt

1
2πλcn

ln

d cn
1
. Tăng, nhưng nhiệt trở tỏa nhiệt
lại giảm. Vì vậy,
d2
α 2πd cn

nhiệt trở toàn phần có thể giảm. Do ñó cần phải xét mối quan hệ giữa nhiệt trở toàn
phần và ñường kính cách nhiệt. Nhiệt trở toàn phần, ñược tính như sau:
R1 =

1

πα 1 d1

+


1
2πλ1

ln

d
d2
1
1
+
ln cn +
d1 2πλcn
d 2 α 2πd cn

(2.24)

ðạo hàm nhiệt trở theo ñường kính cách nhiệt ta có:
d ( R1 )
1
1
=
−
d ( d cn ) 2πλ cn d cn α 2 π d cn2

Nhiệt trở toàn phần nhỏ nhất khi:
1
2πλcn d cn

−


(2.25)
d ( R1 )
= 0 , nghĩa là:
d (d cn )

1
=0
α 2πd cn2

ðường kính cách nhiệt ứng với R1 nhỏ nhất gọi là ñường kính cách nhiệt tới hạn
dth. ðường kính cách nhiệt tới hạn bằng:
d th =

Hoặc

2λcn

(2.26)

α2

α 2 d th
= Bith = 2
λcn

(2.27)

Quan hệ giữa ñường kính cách nhiệt và nhiệt trở tới hạn ñược chỉ ra ở hình 2.12:

GVHD: ThS. Nguyễn Bá Thành


SVTH: Dương Thúy Liễu
Trang 21