Giải thích chi tiết: Truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp
Bài toán dùng để làm gì
Tính nhiệt truyền qua vách nhiều lớp (thép – bông khoáng – thép) của vỏ lò, buồng sấy sơn, tủ điện, khuôn có cách nhiệt: mất bao nhiêu W nhiệt, nhiệt độ mặt ngoài là bao nhiêu (có gây bỏng không). Dùng để chọn chiều dày lớp cách nhiệt.
Hình dung đơn giản
Kiến thức nền cần có
Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.2 đơn vị · 0.12 năng lượng / công suất
Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị | Lấy số liệu ở đâu |
|---|---|---|---|
| T1, T2 | Nhiệt độ không khí phía nóng (trong lò) và phía lạnh (xưởng) | °C | Thông số công nghệ; đo |
| h1, h2 | Hệ số tỏa nhiệt giữa không khí và mặt vách | W/m²K | Không khí tự nhiên 5–25; có quạt 25–250; nước 500–10 000 |
| d1, d2, d3 | Chiều dày từng lớp vách | mm | Bản vẽ |
| λ1, λ2, λ3 | Hệ số dẫn nhiệt từng lớp | W/mK | Thép 50 · bông khoáng 0,04 · gạch chịu lửa 1 · nhôm 200 |
| A | Diện tích vách | m² | Bản vẽ |
Xây dựng công thức từng bước
Công thức tổng quát không "từ trên trời rơi xuống": nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:
Bước 1. Nhiệt trở tổng
Mỗi lớp cản nhiệt bằng chiều dày/hệ số dẫn nhiệt (đổi mm ra m); hai lớp không khí sát vách cản 1/h:
R = 1/h1 + d1/λ1 + d2/λ2 + d3/λ3 + 1/h2
Bước 2. Hệ số truyền nhiệt
Nghịch đảo nhiệt trở – số W đi qua 1 m² khi chênh 1 °C:
k = 1/R
Bước 3. Dòng nhiệt
Tổng công suất nhiệt thất thoát qua vách:
Q = k·A·(T1 − T2) ; q = Q/A
Bước 4. Nhiệt độ mặt vách
Dòng nhiệt q đi qua lớp không khí mỗi bên làm nhiệt độ chênh q/h:
Tw1 = T1 − q/h1 ; Tw2 = T2 + q/h2 ≤ 60 °C
Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)
Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Giá trị | Đơn vị | Ghi chú / nguồn |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Nhiệt độ môi trường nóng | T1 | 200 | °C | |
| 2 | Nhiệt độ môi trường lạnh | T2 | 30 | °C | |
| 3 | Hệ số tỏa nhiệt phía nóng | h1 | 25 | W/m²K | Không khí tự nhiên 5–25; cưỡng bức 25–250; nước 500–10000 |
| 4 | Hệ số tỏa nhiệt phía lạnh | h2 | 10 | W/m²K | |
| 5 | Lớp 1: chiều dày | d1 | 3 | mm | |
| 6 | Lớp 1: hệ số dẫn nhiệt λ | l1 | 50 | W/mK | Thép 50 · bông khoáng 0,04 · gạch chịu lửa 1 · nhôm 200 |
| 7 | Lớp 2: chiều dày | d2 | 50 | mm | |
| 8 | Lớp 2: hệ số dẫn nhiệt λ | l2 | 0,04 | W/mK | Thép 50 · bông khoáng 0,04 · gạch chịu lửa 1 · nhôm 200 |
| 9 | Lớp 3: chiều dày | d3 | 1 | mm | |
| 10 | Lớp 3: hệ số dẫn nhiệt λ | l3 | 50 | W/mK | Thép 50 · bông khoáng 0,04 · gạch chịu lửa 1 · nhôm 200 |
| 11 | Diện tích vách | A | 2 | m² |
Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Kết quả | Đơn vị | Công thức / cách tính |
|---|---|---|---|---|---|
| 12 | Nhiệt trở tổng | Rt | 1,39 | m²K/W | R = 1/h1 + Σδ/λ + 1/h2 |
| 13 | Hệ số truyền nhiệt | k | 0,719 | W/m²K | k = 1/R |
| 14 | DÒNG NHIỆT | Q | 244,6 | W | Q = k·A·ΔT |
| 15 | Mật độ dòng nhiệt | q | 122,3 | W/m² | |
| 16 | Nhiệt độ mặt vách phía nóng | Tw1 | 195,1 | °C | |
| 17 | Nhiệt độ mặt vách phía lạnh | Tw2 | 42,23 | °C | |
| 18 | Mặt ngoài ≤ 60 °C (chống bỏng) | Kiểm tra | ĐẠT |
Áp dụng thực tế và lưu ý
Ví dụ mặc định: lò 200 °C, vách thép 3 mm + bông khoáng 50 mm + thép 1 mm → mất khoảng 245 W qua 2 m², mặt ngoài ≈ 42 °C.
Gần như toàn bộ nhiệt trở nằm ở lớp cách nhiệt: các lớp thép có thể bỏ qua. Muốn giảm thất thoát thì tăng chiều dày bông khoáng.
Nếu mặt ngoài > 60 °C (KHÔNG ĐẠT): tăng cách nhiệt hoặc lắp tấm che cách vách; dán nhãn cảnh báo bề mặt nóng.
Cầu nhiệt (bulông, khung thép xuyên qua lớp cách nhiệt) làm thất thoát thực tế lớn hơn tính toán 10–30 %.