Bài giảng Các khái niệm về mạng nhiệt

-1- Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ MẠNG NHIỆT 1.1. Định nghĩa, ví dụ về mạng nhiệt (MN). 1.1.1. Hộ cấp và hộ tiêu dùng nhiệt - lạnh - Trong thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN), để nung nóng hay làm lạnh một sản phẩm (SP) nào đó, người ta cho nó TĐN với một chất trung gian nào đó. Ví dụ: hơi nước hay gas lạnh, gọi là tác nhân mang nhiệt hay lạnh. - Hộ cấp nhiệt (lạnh ) là thiết bị sản sinh ra tác nhân nhiệt (lạnh). Ví dụ hộ cấp nhiệt là lò hơi tạo ra hơi nước, buồng đốt tạo ra khí nóng (sản phẩm cháy – SPC) để cấp cho thiết bị sấy sản phẩm. Ví dụ hộ cấp lạnh là tổ hợp máy nước - bình ngưng sản sinh ra gas lỏng cao áp để cấp cho thiết bị làm lạnh hoặc Water chiller cung cấp nước lạnh để điều hoà không khí. - Hộ tiêu thụ nhiệt (lạnh) là TBTĐN sử dụng tác nhân nhiệt (lạnh) để gia nhiệt (hay làm lạnh) sản phẩm. Ví dụ hộ tiêu thụ nhiệt là dàn caloripher sử dụng hơi để gia nhiệt không khí. Ví dụ hộ tiêu thụ lạnh là tủ cấp đông sử dụng môi chất lạnh lỏng cao áp để làm đông lạnh thực phẩm. 1.1.2. Phụ tải nhiệt Phụ tải nhiệt Q[W] là lượng nhiệt cần cấp vào hộ tiêu thụ hoặc sinh ra từ hộ cấp, trong một đơn vị thời gian. Q là công suất do tác nhân nhiệt (lạnh) mang vào hoặc lấy ra từ thiết bị trao đổi nhiệt, còn gọi là công suất của thiết bị. - Để xác định phụ tải nhiệt Q, ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt cho sản phẩm và môi chất trong TBTĐN, trên cơ sở yêu cầu của công  Max ÓQt(ô)  Q  ÓQt(ô) Q2(ô) Q1t(ô) nghệ sản xuất. - Theo yêu cầu công nghệ sản  0 3 6 9 12 15 18 21 24 Hình 1.1: Đồ thị phụ tải Q(ô)  h xuất, thường phụ tải nhiệt Q thay đổi theo thời gian, Q = Q(ô). Để tính chọn phụ tải Q cho một hộ cấp nhiệt cần cộng tất cả các phụ tải Qi(ô) của các hộ tiêu thụ, rồi chọn Q theo nguyên tắc: Q ≥ ∑Qi(ô), như ví dụ trên hình 1.1 -2- - Đối với các thiết bị làm việc không liên tục, ví dụ làm việc theo mẻ, theo mùa, vụ người ta có thể tính phụ tải nhiệt theo đơn vị kJ/ mẻ, MJ/ mùa(vụ). 1.1.3. Mạng nhiệt. - Định nghĩa: Mạng nhiệt là hệ thống đường ống và các phụ kiện dẫn môi chất lưu động giữa  LH TN  BN  MĐ hộ cấp và hộ tiêu thụ BC  GN2 GN1  B nhiệt lạnh. Các phụ kiện là các  Hình 1.2: Sơ đồ mạng nhiệt trong nhà máy nhiệt điện thiết bị dùng để duy trì và điều khiển sự lưu động của môi chất, như bình chứa, bình góp, bơm quạt, các loại van, thiết bị pha trộn, tê cút,  TGN  TD MN BN FL  MG  TA BHN  DBH giá treo trụ đỡ ống, cơ  Hình 1.3: Sơ đồ mạng nhiệt trong hệ thống lạnh cấu bù nở nhiệt, v v... Ví dụ về mạng nhiệt trong nhà máy nhiệt điện và hệ thống lạnh được mô tả trên hình 1.2 và hình 1.3. 1.2. Kết cấu đường ống 1.2.1. Cấu tạo ống dẫn. Mặt cắt ngang ống dẫn thường có cấu tạo như hình 1.4, gồm 3 lớp vật liệu: ống, lớp cách  d1 dc d 2  , ë ô nhiệt, lớp bảo vệ. Đường kính trong d1 của ống được tính theo lưu lượng G, vận tốc ù và khối lượng riêng môi  db dc  , ëb chất theo quan hệ: Hình 1.4: Cấu tạo ống dẫn ð 4  G πρω  với ω [m/s] chọn theo loại môi chất. Chất khí ω ∈ [4 ÷75] m/s tăng theo áp suất và độ quá nhiệt. d 2 , ëc G = ñùf = ñù d12 hay d1 = 2 -3- 1.2.2. Các yêu cầu về ống dẫn. 1) Chịu được nhiệt độ, áp suất và tính ăn mòn của môi chất khi làm việc. Khi t, p cao, phải dùng ống kim loại không hàn mép, nối ống bằng hàn hoặc bích. 2) Có lớp cách nhiệt bằng vật liệu có ë bé, chịu được nhiệt độ vỏ ống, ít hút ẩm, ít mao dẫn, bền lâu. 3) Có lớp bảo vệ ngoài cùng để cách ẩm chổ ướt lớp cách nhiệt, chịu được tác động của môi trường xung quanh( không khí, đất, nước...). 1.2.3. Lắp đặt đường ống. - Tuỳ theo công nghệ sản xuất và địa bàn nhà máy, khi lựa chọn vị trí lắp đặt đường ống cần chú ý: 1) Bố trí hộ cấp, hộ tiêu thụ hợp lý.  ∇ H  [l] 2) Đường ống ngắn, gọn, ít tê cút bảo đảm giảm tổn thất nhiệt và thuỷ lực. 3) Không cản trở không gian làm việc, ít ảnh hưởng môi trường.  ∇ 0,00 Hình 1.5: Các vị trí lắp đặt đường ống - Vị trí đặt đường ống có thể trong không khí (trong nhà, ngoài trời) dưới mặt đất (ngầm trong đất) hoặc dưới mặt nước (trong nước, trong ống ngầm). Khi đặt ống ngoài trời cần chống ảnh hưởng của mưa gió. Khi đặt ống ngầm cần chống ảnh hưởng của nước ngầm và tác dụng ăn mòn của môi trường. 1.3. Vị trí treo đỡ ống. 1.3.1. Yêu cầu của việc treo đỡ ống Khi đặt ống trong không khí cần sử dụng các móc treo, giá đỡ hoặc trụ đỡ nhằm giữ cho ống được an toàn và ổn định khi làm việc. Các kết cấu treo đỡ có cấu tạo theo quy phạm an toàn, cần bảo đảm yêu cầu sau: - Giữ cho ống an toàn dưới tác dụng của trọng lực và gió bão - Chống rung động và biến dạng đường ống. 1.3.2. Xác định vị trí cần treo đỡ ống. -4- Để bảo đảm yêu cầu trên, khoảng cách lớn nhất giữa 2 điểm treo đỡ ống là: [lt] = 12ϕ ηδ∗cp  W q  , (m) với : ϕ = 0,8 ; ç = (0,4 ÷ 0,5 ) ä*cp[N/m2] là ứng suất định mức cho phép của vật liệu ống tại nhiệt độ làm việc cực đại. W = 0,1 d 42 − d14 d1  ; [m 3 ] là mô men bền tương đương của ống. q = q12 + q 22 , [N/m] là lực tác động trên 1m ống, Trong đó: q 1 là trọng lượng trên một mét ống (ống, môi chất, vật liệu cách nhiệt) q1 = g[ñô π 4  4 π 4  (dc2 – d22)], [N/m] q1 = kdc ρω 2 2  , [N/m] là lực đẩy 1m ống do gió có vận tốc lấy bằng ù = 30 m/s, khối lượng riêng ñ = 1,2 kg/m3, với hệ số khí động k = (1,4 ÷1,5) . dc (m) là đường kính ngoài lớp bảo vệ hay cách nhiệt. Tóm lại, nếu đường ống dài l ≥ lt hay l ≥ [ 12ϕηδ*cp (d 42 − d14 5d i 4q12 + k 2 d c2ρ 2ω 4 1 ] 2 , [m] thì cần chọn thêm một điểm treo đỡ ống. 1.3.3. Ví dụ: Tính [lt] cho ống thép C10 có ä*cp(t = 250oC) = 11,2 kG/mm2 = 11,2 .9,81.106N/m2 = 1,1.108N/m2 với d2/d1= 60/50 mm, dc = 70 mm, ñô = 7850 kg/m3, ñMC = 4,16 kg/m3 đặt trong không khí. Ta có : W = 0,1 d 42 − d14 d1  = 0,1 (60 4 − 50 4 ).10 −3 x 4 −3  = 1,34.10-5 m3. q1 = 67,8 N/m. q2 = kdc ρω2 2  = 1,5.0,07. 1,2.30 2 2  = 56,7 N/m. q = 67,82 + 56,7 2 = 88,4 N/m.(d22 – d12) + ρ MC π d12 + ñc 50.10 -5- [lt] = (12.ϕ.ç. äcp  *  q  1 ) = (1,2.0,8.0,45.1,1.10 8 .  88,4  1 ) = 8,49 m. Thực tế nếu l > 8 m thì cần có giá treo đỡ. 1.4. Tính bù nở nhiệt. 1.1.4. Hiện tượng nở đều và ứng suất nhiệt. Một ống dài l, khi nhiệt độ tăng lên ∆t thì nở dài thêm đoạn ∆l = lá∆t, với hệ số nở dài á = ∆l l∆t  [1/K] phụ thuộc loại vật liệu. Với thép các bon thì á = 12.10-61/K. Khi đó trong ống phát sinh ứng suất nhiệt ä tính theo định luật Hook ä = Ei = E. ∆x l  = Eá∆t. Với thép các bon thì ä = 2,35∆t Mpa = 24∆t kG/cm2. Lực nén sinh ra khi có ứng suất nhiệt là: π ∆l 2 2 4 Ứng suất nhiệt khi quá giới hạn cho phép có thể gây ra nứt, gãy ống, làm hư hỏng thiết bị và gây sự cố nguy hiểm. Để khắc phục tình trạng này ta dùng cơ cấu bù nhiệt. 1.4.2. Các cơ cấu bù nhiệt cho ống Để bù nở nhiệt đường ống ta dùng cơ cấu bù nhiệt hàn vào giữa đường ống. Cơ cấu này gồm một  R ống liền được R R d uốn cong hình chử U, chử S hoặc chử Ω với  R  R  R  R các bán kính (a) (b) (c) cong R xác định Hình 1.6: Các cơ cấu bù nhiệt: chử U (a), chử S (b), chử Ω (c) theo qui phạm, phụ thuộc đường ống và vật liệu. Khoảng cách cần đặt bù nhiệt là: l > [lb ] =  µq ⎢  2  2 − ⎜ p 2 ⎟ − 4 ⎝ 2δ ⎠  ⎥ , [m]. 4δ ⎥ w 2 1,34.10 −5 2 π p = äf = ä (d 22 − d12 ) = 4 l (d 2 − d1 ) , [N]. ( δ ⎡ ⎢ ϕδ*cp ⎣ ) 3 ⎛ d ⎞ pd 2 ⎤ ⎦ -6- với ä =  1 2  (d 2 − d1 ) [m] là chiều dài ống q là áp suất trên mặt kê ống, q = trọng lượng ống/ diện tích kê = q1[l t ] d 2b  , [N/m2]. ϕ ä*cp[N/m2] là ứng suất cho phép của vật liệu ống, ϕ = 0,8. p[N/m2] là áp suất môi chất trong ống. d2[m] là đường kính ngoài ống dẫn môi chất. 1.4.3. Ví dụ: Tính [lb] cho đường ống như ở ví dụ 1.3.3 nói trên, khi chọn mặt kê có diện tích d2.b = (0,06.0,1) m2 với hệ số ma sát µ thép = 0,18 sẽ có: ä = 1 2  2 q= q1[l t ] d 2b  = 67,8.8,49 0,06.0,1  = 95937 N/m2 [lb ] =  µq ⎢ 4 ⎝ 2δ ⎠  2  2  ⎥ 4δ ⎥ =  0,005 0,18.95937 ⎢ ⎣  2  −  4 ⎝ 2.0,005 ⎠  2  ⎤ 4.0,005 ⎥ ⎦ = 24,8 m Chú ý: - Các mặt kê đặt, treo đỡ cần tiếp xúc mặt ống d2 để khỏi làm móp vỏ bảo ôn. - Phần thấp của cơ cấu bù nhiệt cần lắp van xả nước ngưng.(d 2 − d1 ) = 1 (60 − 50).10 −3 = 0,005m. δ ⎡ ⎢ (ϕδ cp ) − ⎜ p 3 ⎛ d 2 ⎞ ⎟ − * ⎣ pd 2 ⎤ ⎦ ( ⎡ ⎢ 0,8.1,1.10 8 ) 3 ⎛ 8.10 5.0,06 ⎞ ⎜ ⎟ − 8.10 5.0,06 ⎥ -7- Chương 2 TÍNH NHIỆT CHO MẠNG NHIỆT 2.1. Mục đích và cơ sở tính nhiệt cho mạng nhiệt. 2.1.1. Mục đích tính nhiệt cho mạng nhiệt: 1) Xác định tổn thất nhiệt, tức lượng nhiệt truyền qua ống ra môi trường, qua từng ống và toàn mạng nhiệt. 2) Xác định phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang ống, trong môi chất nhiệt và trong môi trường quanh ống. 3) Xác định luật thay đổi nhiệt độ môi chất dọc ống, tính nhiệt độ môi chất ra khỏi ống. 4) Xác định sự chuyển pha của môi chất dọc ống tức là tìm vị trí xảy ra sự ngưng tụ hay sôi hoá hơi, lượng môi chất đã chuyển pha. 5) Để chọn kết cấu cách nhiệt thích hợp. 2.1.2. Cơ sở để tính nhiệt cho mạng nhiệt Để tính nhiệt cho mạng nhiệt, người ta dựa vào phương trình truyền nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt, kết cấu đường ống cùng môi chất và môi trường. 2.1.2.1. Kết cấu đường ống, môi chất và môi trường. Mặt cắt ngang đường ống thường có kết cấu như hình 2.1: Bên trong là môi chất có thông số cho trước GCpt1, tiếp theo là ống dẫn có d1/do, ëô,ngoài ống là lớp cách nhiệt có ëc, äc, ngoài cùng là lớp bảo vệ có ëb, äb, môi trường xung quanh có  Ố (d1/d0, ëô) CN (dc/d1, ëc) BV (db/dc, ëb) MT (t0)  MC GCpt1  á2  Rá1 R0 Rc Rb Rá2 nhiệt độ to. Hình 2.1: Mặt cắt ống dẫn 2.1.2.2. Phương trình truyền nhiệt. * Để tính tổn thấtnhiệt trên một mét ống dùng công thức: ql = t 1 − t o ; [W/m] với R l t1 là nhiệt độ môi chất, [oC]. to là nhiệt độ môi trường, [oC]. Rl là tổng nhiệt trở truyền nhiệt qua một mét ống, [mK/W]. -8- Rl = Ó Rli = Rá1+ Ro + Rc + Rb + Rá2 hay: Rl = 1 πd o α1  + 1 2ππ o d d o 1 2ππ c d d1 1 2ππ b d d c 1 πd b α 2  . * Trong tổng trên, Rc và Rá2 luôn có trị số đáng kể không thể bỏ qua. Các nhiệt trở khác có thể bỏ qua khi đáp ứng điều kiện sau: 1) Khi môi chất là chất lỏng hay chất khí có vận tốc ù ≥ 5m/s, thì á1 khá lớn cho phép coi Rá1 = 0. 2) Khi ống bằng kim loại mỏng, với d1/do ≤ 2 và ëô ≥ 30W/mK, thì Rc ≤ 1 2ð .30  ln 2 = 0,0037 mK/W, có thể coi Rô = 0. 3) Khi lớp bảo vệ bằng vật liệu mỏng, coi db = dc và Rb = 0. * Tính tổn thất nhiệt trên một ống dài l[m], có thể tính theo: Q = lql; [W], khi ql = const, ∀x ∈[0,l]. l Q = ∫ q l (x)dx khi ql thay đổi trên trục x của ống, (do nhiệt độ môi chất thay đổi 0 dọc ống). 2.1.2.3. Phương trình cân bằng nhiệt Phương trình cân bằng nhiệt cho môi chất chảy trong ống ổn định nhiệt là (Biến thiên Entanpy môi chất qua ống ) = (tổn thất nhiệt qua ống do truyền nhiệt). t0 Rl ∗ Phương trình cân bằng nhiệt và tích phân cho môi chất trong đoạn ống dx là: Gi1 Cpt1  0  x  x+dx  l i2 x t1 dI = äQ hay Gdi = qldx (dạng tổng quát). Hình 2.2 Nếu môi chất không chuyển pha, bị làm nguội do toả nhiệt thì phương trình cân bằng nhiệt có dạng:  -GCpdt = t − t o R l  dx . ∗ Phương trình cân bằng nhiệt tích phân cho đoạn ống dài l(m) là: ∆I = Q hay G(i1-i2) = l ∫ 0 t(x) − t o R l  dx = l q l l Nếu môi chất không đổi pha thì: GCp(t1-t2) = ∫ q l (x)dx , [W]. 0ln 1 + ln c + ln b + -9- 2.2. Tính nhiệt đường ống đặt trong không khí ngoài trời. 2.2.1. Mô tả bài toán. Xét môi chất một pha  t0 ql  l db,ëb  d1/d0,ë0 nhiệt độ t1 chảy qua ống chiều dài l có các thông số của ống: t1  0  1m  á2  ù  dc,ëc d1/d0, ë0, của lớp cách nhiệt dc, Hình 2.3 ëc, của lớp bảo vệ db, ëb đặt trong không khí nhiệt độ t0. 2.2.2. Tính các hệ số toả nhiệt với môi chất và môi trường ∗ Trong trường hợp tổng quát, hệ số trao đổi nhiệt á1 với môi chất là chất khí, và với môi trường là á2 sẽ được tính theo phương pháp lặp. Các bước tính lặp gồm: 1) Chọn nhiệt độ mặt trong ống tw1. Tính á1 theo công thức TN toả nhiệt cưỡng bức á1 = λ1 d 0  Nu1(ReGrPr)1. Tính Tính á1å = åwä0(T14- Tw4)/(T1-Tw) với åw = độ đen ống. q l1 = (á1+ á1å)(t1 – tw1)ðd0 , [W/m]. 2) Tính nhiệt độ ngoài vỏ bảo vệ tb theo phương trình: qli = qël = t w1 − t b i i  1 d i+1  1  i d d i db Tính q l 2 = á2(tb – t0)ðdb, [W/m]. 3) So sánh sai số åq = ⎟1- q l 2 q l1  ⎟ với [å] = 5% chọn trước, tức là xét: ⎧ > 0 → Thay đổi tW1 và lặp lại (1 ÷ 3) ⎩ ≤ 0 → lấy á1, á2 như trên Nếu môi chất là pha lỏng, có thể coi á1 → ∞ hay tw1 = t1, và tính một lần tb, á2 theo công thức ở bước 2 . ∑ 2ππ ln d t − t b tức tb = tw1 = w1 ∑ 2ππ ln i+1 Tính á2 = λ 2 Nu 2 (GrPrRe) 2 theo công thức TN toả nhiệt môi trường. ε q − [ε] = ⎨ - 10 - ∗ Tính toán thực tế có thể dùng các công thức kinh nghiệm tính á2 ra môi trường không khí theo: ⎧ ⎪ 0,25 ⎠ ω với  t1, t0 là nhiệt độ môi chất, môi trường[0C] db là đường kính ngoài lớp bảo vệ, [m] ù là tốc độ gió, [m/s] á là hệ số toả nhiệt, [W/m2K] 2.2.3. Tính các nhiệt trở: Rá1 = 1 πd 0α1  , [mK/W] Rô =  1 2ππ 0 d d 0  Rc =  1 2ππ c d d1 Rb =  1 2ππ b d d c  Rá2 =  1 πd b λ 2  ,  Rl = ÓRbi, [mK/W]. Trong thực hành,cho phép bỏ qua Rá1,Rô, Rb theo các điều kiện nói trên và tính á2 theo công thức kinh nghiệm. 2.2.4. Tính tổn thất nhiệt: Tổn thất nhiệt trên 1m dài đường ống là: ql = t Mc − t 0 R l  , khi tính gần đúng, coi nhiệt độ trung bình của môi chất trong ống là t1 ở đầu vào tức là ql = - Tổn thất nhiệt trên ống dài l: t1 − t 0 Rl  , [W/m]. Q = lql = l t 1 − t 0 R l  , [W]. 2.2.5. Phân bố nhiệt độ trong vách ống: ∗ Nhiệt độ mặt ngoài lớp cách nhiệt tc, khi coi Rb = Rô = Rá1 = 0 xác định theo phương trình cân bằng nhiệt: ql = 1  R c  = c R α2  → t c = t 1 R c 1 R c  + + t 0 R α2 1 R α2  .⎛ t t α 2 = ⎪ 1,16 ⎜ 1− 0 ⎝ d b ⎩ 11,6 + 7 ⎞ ⎟⎟ ln 1 , ln c , [mK/W] ln b , t − t c t − t 0 - 11 - ∗ Phân bố t trong các lớp vách có dạng đường cong lôgarit như hình 2.4.  t Ghi chú: Nếu ống chử nhật axb thì dùng đường kính tương đương 4f 2ab u a + b  t1 tc t0  tc  r 2.2.6. Ví dụ thực tế:  Hình 2.4: Phân bố t(r) Tính á2, Rl, ql, Q, tc của ống có d c d1  = 60 50  mm, dc = 160, ëc = 0,1 W/mK, l = 50m dẫn dầu nóng, t1 = 1200C đặt trong không khí t0 = 300C, gió ù = 3 m/s. Các bước tính: 1) Hệ số toả nhiệt ra khí trời: á2 = 11,6 +7 ω = 11,6 +7 3 = 23,72 W/m0K. 2) Tính tổng nhiệt trở, bỏ qua Rá1 = Rô = Rb = 0. Rl = 1 2ππ c d d1 1 πd c α 2 Rl = 1 2.3,14.0,1  ln 60 50  + 1 3,14.0,06.23,72  = 0,514 mK/W 3) Tính tổn thất nhiệt: ql = t 1 − t 0 R l  = 120 − 30 0,514  = 175W/m  0  r Q = lql = 50.175 = 8750 W . t1 4) Tính  tc = t 1 R c 1 R c  + + t 0 R α2 1 R α2  với tc t0 0 Hình 2.5: Phân bố t(r) trong vách CN Rc = 1 2.3,14.0,1  ln 60 50  + 1 3,14.0,06.23,72  = 0,514 mK/W Rá2 = 1 3,14.0,06.23,72  ln 60 50  = 0,224 mK/W tc =  120 0,29 1 0,29  + +  30 0,224 1 0,224  = 69 0 C= d= và tính như ống tròn. ln c + rc r r0 - 12 - Nhận xét: Nếu không bọc cách nhiệt thì hệ số Rl = 0,224 mK/W, ql = 402W/m, Q0 = 20089 W =230% Q. 2.3. Tính nhiệt ống ngầm trong đất: 2.3.1. Mô tả kết cấu: một ống chôn ngầm trong đất: gồm ống dẫn (d1/d0, ëô) bọc cách nhiệt (dc, ëc) lớp bảo vệ (db, ëb) có khả năng chống thấm nước, chôn ngầm trong đất (ëđ, t0) cách mặt đất h. Nhiệt độ vùng đất xung quanh ống được  0 Rđ Rb h Rc R0 Rá1 MC, t1 Ố (d1/d0, ëô) CN (dc/d1, ëc) BV (db/dc, ëb) Đ (ëd,t0) Hình 2.6: Ống ngầm trong đất xác định theo quy ước: ⎧ b nhờ đo tại thực địa. 2.3.2. Tính các nhiệt trở: ∗ Các nhiệt trở Rá1, Rô, Rc, Rb được tính như trên, Rá1, Rô, Rb được phép bỏ qua theo các điều kiện nêu ở mục 1.2.2. ∗ Nhiệt trở đất được coi là nhiệt trở 1 m ống trụ  ⎛ d ⎞ ⎝ 2 ⎠  2  h  t1 db/2  h ëđ  t0 bằng đất có ëđ và tỉ số các đường kính ngoài, trong là: d n d t  =  ⎜ ⎝  d b  2  hay  d n d t  =  2h d b  +  ⎝ d b ⎠  2  Hình 2.7 tức là: Rđ =  1 2πëd  ln  ⎣ ⎦  ⎢ d b ⎜ d b ⎟ ⎥  2 Với: ëđ là biến số dẫn nhiệt của đất, phụ thuộc loại đất, nhiệt độ t, độ ẩm ϕ. Khi t ∈ (10 ÷40)0C và ϕ ∈ (50 ÷90)% thì có thể lấy ëđ ∈(1,2 ÷2,5) W/mK hay ë đ = 1,8 W/mK. ∗ Nếu coi Rá1 = Rô= Rb= 0 thì có: - Nhiệt độ mặt đất khi h 〈 2db t0 = ⎨ - Nhiệt độ đất tại độ h≥ 2d lấy theo giá trị trung bình năm ⎩ h 2 − ⎜ b ⎟ ⎛ d ⎞ ⎞ ⎛ 2⎜ h + h 2 + ⎜ b ⎟ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎟⎠ ⎛ 2h ⎞ ⎜ ⎟ − 1 ⎡ ⎤ ⎢ 2h + ⎛⎜ 2h ⎞⎟ − 1⎥ , mK/W. (công thức Fochemer). ⎝ ⎠ - 13 - Rl = Rc + Rđ =  1 2πëc  ln  d c 1 d1 2πëd  ln  ⎣ ⎦  ⎢ d b ⎜ d b ⎟ ⎥  2 Tổn thất nhiệt ql = t1 − t 0 Rl  và Q = lql. 2.3.3. Trường nhiệt độ trong lớp cách nhiệt và trong đất. ∗ Trường nhiệt độ trong lớp cách nhiệt tính theo phương trình cân bằng nhiệt: t 1 − t c R c  = c  R d  → tc = t 1 R c 1 R c t R d 1 R d r trục ống thì nhiệt độ tại điểm M(x,y) được xác định theo công thức: 1  x 2 + (y + h) 2 t(x,y) = t0 +(t1- t0)  1 λ c  d d1 λ d  1 λ d x 2 + (y − h) 2 ln⎢ ⎣ ⎦  2 ∗ Nếu ống chử nhật axb thì tính tương tự ống tròn 2ab a + b  h  0,00  0 y  x  M(x,y)  x Hình 2.8 mô tả phân bố t trong lớp cách nhiệt và trong đất 2.3.4. Ví dụ về ống đơn ngầm trong đất. Bài toán: Tính Rc, Rđ, ql, Q, tc, t( x = 0,1; y = 0,2m) của đường ống dài l = 20m, = d1 40 t1 tc t0 Hình 2.8: t(r) trong cách nhiệt, trong đất 0,05W/mK, dẫn nước nóng t1 = 900C, ngầm trong đất sâu h = 500mm, t0 = 270C, ëđ = 1,8 W/mK. Các bước tính Rc = 1 2ππ c d d1 1 2.3,14.0,05  ln 150 40  = 4,2 mK/W ⎡ ⎤ ⎢ 2h + ⎛⎜ 2h ⎞⎟ − 1⎥ . ⎝ ⎠ t − t 0 + 0 + ∗ Nếu chọn hệ toạ độ Oxy với ox vuông góc với trục ống, oy song song với g qua ln c + ⎡ ⎤ ⎛ 2h ⎞ 2h ⎟⎟ − 1⎥ + ⎜⎜ ⎢ d c ⎝ d c ⎠ ⎥ có: d = , m. mm, ëc = d c 150 ln c = - 14 - Rđ =  1 2πëd  ln  ⎣ ⎦  ⎢ d b ⎜ d b ⎟ ⎥  2  1 2.3,14.1,8  ln⎢ ⎢ 0,15  2 + ⎜ ⎟ − 1⎥ = 0,23 mK/W. ⎝ 0,15 ⎠ ⎥ ql = t 1 − t 0 R c + R d  = 90 − 27 4,2 + 0,23  = 14,2 W/m. Q = l.ql = 20x14,2 = 285 W. tc = t 1 R c 1 R c t R d 1 R d  = 90 4,2 1 4,2  + + 27 0,23 1 0,23  = 30,3 0C. 1  x 2 + (y + h) 2 t(x,y) = t0 +(t1- t0)  1 λ c  ln  d c d1 λ d +  1 λ d x 2 + (y − h) 2  2  ⎢ d c ⎥ ⎣ ⎦ 1  0,12 + (0,2 + 0,5) 2 = 27 +(90-27)  1 0,05  ln 1,8 0,12 + (0,2 − 0,5) 2 + ln ⎢ + ⎜ ⎟ − 1⎥ 40 1,8 ⎢ 0,15 ⎝ 0,15 ⎠ ⎥  2 = 27 + 63  1,24 27,87  = 29,8 0C.  0  0  0,1 Phân bố t trong cách nhiệt và trong đất có h 0,2 M r dạng như hình 2.9 2.4. Tính nhiệt nhiều ống ngầm  90  30,3 29,8  27 trong đất. 2.4.1. Mô tả hệ nhiều ống ngầm trong đất:  h Hình 2.9: Phân bố t(M) 0,00 0 x b y  x Xét hệ gồm hai ống ngầm có (t1, Rc1, d1) và (t2, Rc2, d2) chôn trong đất cùng độ sâu h, cách nhau b đủ gần để có thể trao đổi t0  d1Rc1 t1 t1  Rc1  Rđ b  Rc2 t2 t0 d2Rc2 t2 nhiệt với nhau với nhiệt độ môi chất t1 > t2. Hình 2.10: Hệ hai ống ngầm Cho biết ëđ nhiệt độ đất tại độ sâu h ngoài hai ống là t0. ⎡ ⎤ ⎢ 2h + ⎛⎜ 2h ⎞⎟ − 1⎥ = ⎡ 2.0,5 ⎣ ⎤ ⎛ 2.0,5 ⎞ ⎦ ⎝ ⎠ + 0 + ⎡ ⎤ ⎛ 2h ⎞ 2h ⎟⎟ − 1⎥ + ⎜⎜ ln⎢ ⎝ d c ⎠ ⎡ 2.0,5 ⎤ ⎛ 2.0,5 ⎞ 150 1 ⎣ ⎦ - 15 - 2.4.2. Tính tổn thất nhiệt. Nếu gọi : R1 = Rc1 + Rđ1 =  1 2πëc1  ln  d c1 d1  +  1 2πëd  ⎣  2h  2  ⎦ R2 = Rc2 + Rđ2 =  1 2πë2  ln  d c2 d 2  +  1 2πëd  ln  ⎣ ⎦  ⎢ d c2 ⎜ d c2 ⎟ ⎥  2 R 0 =  1 2πëd  ln 1+ ⎜ ⎟ , mK/W ⎝ b ⎠  2 q l1 = (t 1 − t 0 )R 2 − (t 2 − t 0 )R 1 R 1R 2 + R 02  = - q l 2 (với t1> t2) , W/m. 2.4.3. Trường nhiệt độ trong đất. r r r r như hình 16. ∗ Trường n