Chương 2: Bức xạ nhiệt và truyền nhiệt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.47 MB, 125 trang )
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
Chú ý : nếu hai tâm phẳng hoặc hai vật bọc nhau là vật trắng tuyệt đối ( vật có hệ
số phản xạ R = 1, hệ số hấp thụ A và độ đen ε, A = ε = 0 ) thì độ đen quy dẫn ε qd = 0
và nhiệt trao đổi bức xạ q12 = 0 hay Q12 =0
2.1.2. Ví dụ
1. hai tấm phẳng đặt song song tấm thứ nhất có nhiệt độ 527 0C độ đen ε1 =0.8 và
tấm thứ hai có nhiệt độ t2 = 270C độ đen qui dẫn là ε2 = 0.6. tính khả năng bức xạ giữa
hai tấm :
do là hai tấm phẳng ta có độ đen qui dẫn là
ε qd =
1
1
=
= 0.522
1
1
1
1
+
−1
+
−1
ε1 ε 2
0 .8 0 .6
Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai tấm phẳng
T 4 T 4
527 + 273 4 27 + 273 4
q12 = ε qd C 0 1 − 2 = 0.522 * 5.67 *
−
= 11883 (W/m
100 100
100 100
2
)
2. Hai hình lập phương có cạnh là 5 và 200 cm. xác định độ đen quị dẫn của hệ
thống hai vật bọc nhau. tính lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật biết độ đen qui dẫn của
hai vật lần lượt là 0.4 và 0.5 và nhiệt độ của vật 1 là 300C và của vật hai là 150C
Giải
Do là hai vật bọc nhau nên có thể tính độ đen theo công thức
ε qd =
1
1
=
= 0.39
1
6 * 0.05 2 1
1 F1 1
− 1
+
0.4 + 6 * 0.2 2 0.5 − 1
ε 1 F2 ε 2
Nhiệt lượng mà hai vật trao đổi là:
Q12
4
4
T1 4 T2 4
15 + 273
−4 30 + 273
= ε qd C 0 F1
−
= 0.39 * 5.67 *1.5 *10
−
= 0.0053
100
100
100
100
Đối với cả hai bài tập này có một chương trình chung bận có thể nhập dòng lệnh
sau đó cho chạy giải bằng trong Mathlab:
function BT2
t1=input('nhiet do cua vat 1: ');
t2=input('nhiet do cua vat 2: ');
e1= input('do den qui dan cua vat 1: ');
e2=input('do den qui dan cua vat 2: ');
color=input('hai cat co mau: ');
set=input('hai vat duoc dat nhu the nao: ');
T1=t1+273;
T2=t2+273;
64
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
E = radiation(color,set,e1,e2,T1,T2);
disp('-----------------------------');
disp('nhiet luong trao doi cua hai vat la: ');
Q=E
Với bài 1 ta chạy chương trình và cho kết quả như sau:
>> BT2
nhiet do cua vat 1: 527
nhiet do cua vat 2: 27
do den qui dan cua vat 1: 0.8
do den qui dan cua vat 2: 0.6
hai cat co mau: 'black'
hai vat duoc dat nhu the nao: 'songsong'
eqd =
0.5217
E=
1.1877e+004
----------------------------nhiet luong trao doi cua hai vat la:
Q=
1.1877e+004
Với bài tập hai ta có chạy cùng chương trình đó nhưng nhập điều kiện khác vào ta
thu được kết quả như sau:
>> BT2
nhiet do cua vat 1: 30
nhiet do cua vat 2: 15
do den qui dan cua vat 1: 0.4
do den qui dan cua vat 2: 0.5
hai cat co mau: 'black'
hai vat duoc dat nhu the nao: 'bocnhau'
vat 1 co hinh: 'cube'
nhap gia tri cua canh hinh lap phuong: 0.005
vat 2 co hinh: 'cube'
nhap gia tri cua canh hinh lap phuong: 0.2
eqd =
65
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
0.3999
----------------------------nhiet luong trao doi cua hai vat la:
Q=
0.0053
2.2. Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
2.2.1 Tóm tắt lí thuyết
Truyền nhiệt
Truyền nhiệt qua vách phẳng
q = k(t11 – t12) W/m2
hệ số truyền nhiệt của vách phẳng n lớp
k=
1
δ
1
1 W/m2K
+∑ i +
α 1 1 λi α 2
n
t 11, t12 nhiệt độ của môi chất nóng và lạnh
α1 ,α2 hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt đến môi chất W/m2 K
δi, λi chiều dài và hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i
truyền nhiệt qua vách trụ
ql = kl (t11 – t12) W/m
kl =
1
d
1
1
1
W/mK
+∑
ln i +1 +
α 1πd 1 1 2πλi
di
α 2πd 2
n
Trong đó kl là hệ số truyền nhiệt qua vách trụ n lớp
thiết bị trao đổi nhiệt
các phương trình cơ bản tính toán thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn
phương trình truyền nhiệt
Q = kFΔt W
Trong đó
Q là lượng nhiệt trao đổi giữa hai môi chất, W
F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt , m2
k là hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt W/m2K
Δt độ chênh lệch nhiệt độ trung bình
phương trình cân bằng nhiệt
Q = G1Cp1(t1’ – t1”) = G2Cp2(t2’ – t2”) W
66
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
Chỉ số 1 la của chất lỏng nóng còn chỉ số 2 là của chất lỏng lạnh
Các kí hiệu “ ‘ “ các thông số đi vào thiết bị
Các kí hiệu “ “ “ các thông số đi ra thiết bị
G lưu lượng kg/s
G = Vρ
V là lưu lượng thể tích m3/s
ρ là khối lương riêng của chất lỏng kg/m3
Cp nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp J/kgK
Q = W1 δt1 = W2 δt2 ,W1 = G1Cp1; W2 = G2Cp2
độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của thiết bị cùng chiều và ngược
chiều
∆t =
∆t1 − ∆t 2
∆t
ln 1
∆t 2
Đối với chất lỏng song song cùng chiều
Δt1 = t1’ – t2’
Δt2 = t1’’ – t2”
Đối với các chất lỏng song song ngược chiều
Δt1 = t1’ – t2’’
Δt2 = t1’’ - t2’
2.2. xác định diện tích bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt
F=
Q
k∆
t
2.1.2. Ví dụ
3. Vách phẳng hai lớp chúng đều có chiều dày là 0.25m hế số dẫn nhiệt của hai
lớp lần lượt là 0.348 W/mK và 0.695 W/mK hệ số tỏa nhiệt tương ứng của chúng là
34.8 W/m2K và 11.6W/m2K nhiệt độ lớp trong cùng là 1300 0C nhiệt độ của lớp ngoài
cùng là 300C. tính mật độ dòng nhiệt
Lời giải
Ta có do vách là vách phẳng nên ta dùng côn thức sau tính hệ số tỏa nhiệt của hệ
k=
1
1
=
= 0.838
1
0.25
0.25
1
δi
1
1
W/m2K
+
+
+
+∑ +
α 1 1 λi α 2 34.8 0.348 0.695 11.6
n
Mật độ dòng nhiệt
Q = kΔt=0.838(1300 – 30)=1064 W/m2
67
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
4. một ống dẫn hơi làm bằng thép đường kính là 200/216 mm. hệ số dẫn nhiệt
bằng 46W/mK. Được bọc bằng một lớp bảo cách nhiệt dày 120 mm có hệ số dẫn
nhiệt là 0.116W/mK. Nhiệt độ hơi bằng 300 0C. hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt trong tới
không khí là 116W/m2K và hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài tới không khí xung quanh
là 10 W/m2K. xác định mật độ dòng nhiệt
Giải
Do là vách trụ nên áp dụng phương trình sau:
d 3 = d2 +2δ=216+2.0.12=0.456(m)
kl =
1
d
1
1
1
+∑
ln i +1 +
α 1πd1 1 2πλi
di
α 2πd 2
n
=
1
1
1
216
1
456
1
+
ln
+
ln
+
116π 0.2 2π 216 200 2π 0.116 216 10π 0.456
(W/mK)
Q=kΔt=0.9*(300-25)=247.5(W/m)
Với cả hai bài này ta có một chương trình chung nhập dòng lệnh sau đó cho chạy
trên mathlab ta sẽ có kết quả của cả hai bài tập
Giải bằng Mathlab
function BT3
t1=input('nhiet do cua lop trong cung: ');
t2=input('nhiet do cua lop ngoai cung: ');
lamda=input('nhap duoi dang ma tran he so dan nhiet cua cac lop: ');
a1=input('nhap he so toa nhiet cua lop trong cung: ');
a2=input('nhap he so tao nhiet cua lop ngoai cung: ');
delta=input('nhap duoi dang ma tran gia tri cua chieu day cac lop: ');
vach=input('loai vach ma nhiet truyen qua: ');
k=heat(vach,t1,t2,a1,a2,lamda,delta)
disp('--------------------------------')
disp('nhiet truyen qua vach la: ')
Q=k*(t1-t2)
Với BT3 cho chạy thu được kết quả sau :
BT3
>> BT3
nhiet do cua lop trong cung: 1300
nhiet do cua lop ngoai cung: 30
nhap duoi dang ma tran he so dan nhiet cua cac lop: [0.348 0.695]
nhap he so toa nhiet cua lop trong cung: 34.8
nhap he so tao nhiet cua lop ngoai cung: 11.6
68
=0
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
nhap duoi dang ma tran gia tri cua chieu day cac lop: [0.25 0.25]
loai vach ma nhiet truyen qua: 'phang'
q=
1.0645e+003
Với BT4 có kết quả như sau
>>BT3
nhiet do cua lop trong cung: 300
nhiet do cua lop ngoai cung: 25
nhap duoi dang ma tran he so dan nhiet cua cac lop: [216 0.116]
nhap he so toa nhiet cua lop trong cung: 116
nhap he so tao nhiet cua lop ngoai cung: 10
nhap duoi dang ma tran gia tri cua chieu day cac lop: [0.008 0.12]
loai vach ma nhiet truyen qua: 'tru'
nhap gia tri cua duong kinh ong trong cung: 0.2
k=
0.9019
-------------------------------nhiet truyen qua vach la:
Q=
248.0206
5. Trong một thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội 275Kg/h chất lỏng từ 120 0C tới
500C chất lỏng nóng có nhiệt dung riêng 3.04 kJ/kgK chất lỏng lạnh có lưu lượng
1000kg/h nhiệt độ vào thiết bị là 100 nhiệt dung riêng
C2 =4.18 kJ/KgK. Biết hệ số truyền nhiệt thiết bị là k=1160W/m 2K. tính diện tích
của truyền nhiệt của thiết bị trong các trường hợp :
chất lỏng chuyển động song song cùng chiểu
chất lỏng chuyên động song song ngược chiều
Lời giải
nhiệt lượng do chất lỏng nóng thải ra
Q= G1C1Δt’= 275/3600.3.04.10-3.(120 – 50) = 16255.5 W
Nhiệt độ của chất lỏng lạnh ra được xác định từ pt cân bằng nhiệt
'
'
t 2' = t 2 +
'
G1C1 (t1' − t 2 )
275 * 3.04 * (120 − 50)
= 10 +
= 24 0 C
G2 C 2
1000 * 4.18
Độ chênh lệch nhiệt độ
c)song song cùng chiều
69
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
Δt1 = t1’ – t2’ = 120 – 10 = 110
Δt2 = t1” – t2” = 50 – 24 =26
∆t =
∆t1 − ∆t 2 110 − 26
=
= 58.3 0 C
∆t
110
ln
ln 1
26
∆t 2
Diện tích F=
d)
Q
16255
=
= 0.24 m2
k∆t 1160 * 58.3
song song ngược chiều
Δt1 = t1’ – t2” = 120-24 = 96
Δt2 = t1” – t2’ = 50 – 10 =40
∆t =
∆t1 − ∆t 2 96 − 40
=
= 64 0 C
∆t 1
96
ln
ln
40
∆t 2
Diện tích F=
Q
16255
=
= 0.22 m2
k∆t 1160 * 64
Giải bằng Mathlab
function BT4
G1=input('nhap luu luong cua dong nong: ');
G2=input('nhap luu luong cua dong lanh: ');
tnv=input('nhap nhiet do ban dau cua dong nong: ');
tnr=input('nhap nhiet do di ra cua dong nong: ');
tlv=input('nhap nhiet do ban dau cua dong lanh: ');
tlr=input('nhap nhiet do dong lanh di ra: ');
c1=input('nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong nong cua: ');
c2=input('nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong lanh: ');
k=input('he so truyen nhiet cua chat long: ');
moving=input('hai dong chuyen dong ra sao: ');
deltatn=(tnv-tnr);
Q=heatquatity(c1,G1,deltatn);
x=heatbalance(G1,G2,c1,c2,tnv,tnr,tlv,tlr);
t=average(moving,tnv,tnr,tlv,x);
disp('---------------------------');
disp('dien tich be mat truyen nhiet la: ');
F=surface(Q,k,t)
70
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
Kết quả thu được là:
>>BT4
nhap luu luong cua dong nong: 275/3600
nhap luu luong cua dong lanh: 1000/3600
nhap nhiet do ban dau cua dong nong: 120
nhap nhiet do di ra cua dong nong: 50
nhap nhiet do ban dau cua dong lanh: 10
nhap nhiet do dong lanh di ra: 'no'
nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong nong cua: 3.04e3
nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong lanh: 4.18e3
he so truyen nhiet cua chat long: 1160
hai dong chuyen dong ra sao: 'comoving'
Q=
1.6256e+004
nhiet do cua lop chat long lanh di ra la:
x=
24
t=
58.2369
--------------------------dien tich be mat truyen nhiet la:
F=
0.2406
Với phần b kết quả là chú ý khi nhập thay đổi hai dòng chuyển dộng ra sao nhập
‘reverse’(ngược chiểu)
>> BT4
nhap luu luong cua dong nong: 275/3600
nhap luu luong cua dong lanh: 1000/3600
nhap nhiet do ban dau cua dong nong: 120
nhap nhiet do di ra cua dong nong: 50
nhap nhiet do ban dau cua dong lanh: 10
nhap nhiet do dong lanh di ra: 'no'
nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong nong cua: 3.04e3
nhap nhiet dung rieng dang ap cua dong lanh: 4.18e3
71
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
he so truyen nhiet cua chat long: 1160
hai dong chuyen dong ra sao: 'reverse'
Q=
1.6256e+004
nhiet do cua lop chat long lanh di ra la:
x=
24
t=
63.9657
--------------------------dien tich be mat truyen nhiet la:
F=
0.2191
72
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
Chương 3: Kỹ thuật tách chất
Tách chất là một trong những giai đoạn rất quan trọng trong quy trình công nghệ
hóa học. Dựa vào các đặc tính hóa lí khác nhau của các chất mà người ta tách riêng các
chất ra khỏi hỗn hợp. Trong thực tế có rất nhiều phương pháp được sử dụng, một trong
số đó là phương pháp chưng cất dựa vào sự phân biệt nhau về nhiệt độ sôi của các cấu
tử trong hỗn hợp lỏng cần tách.
3.1 Cân bằng lỏng hơi
3.1.1 Tóm tắt lý thuyết
-) Định luật Raoult’s:
p i = xi . p 0 i
(3.1)
73
Kỹ thuật tính toán trong công nghệ hóa học
-) Định luật Dalton
p i = y i .P
(3.2)
-) Kết hợp hai định luật trên cho hệ hai cấu tử ta có:
x1 =
P − p 02
p01 − p 02
(3.3)
y1 = x1
p 01
P
-) Định luật Antoine:
lg( p0 i ) = A −
B
C +θ
(3.4)
-) Bay hơi đẳng nhiệt:
y i = K i .xi
∑y = ∑x
=> ∑y − ∑x
i
i
=1
i
i
(3.5)
=0
(3.6)
Hay :
∑( K
i
−1).xi = 0
(3.7)
Đối với dòng chảy:
F=V+L
với từng thành phần thì: z i F = xi L + yiV
(3.8)
Hay z i = ( K i −1) xi v'+xi
xi =
(3.9)
zi
( K i −1)v'+1
(3.10)
Trong đó :
pi
: áp suất hơi riêng phần của cấu tử i
xi
: phần mol của cấu tử I trong hỗn hợp
p0i
: áp suất hơi bão hòa của cấu tử i ở trạng thái
nguyên chất
P: áp suất hơi bão hòa của hệ
A,B,C : các hằng số
θ : nhiệt độ ( 0 C )
zi
: Phần mol của nguyên liệu vào
F: Tổng lưu lượng mol
V: Lưu lượng mol của pha hơi
L: Lưu lượng mol của pha lỏng
74
