Phần 2 Các quá trình truyền nhiệ docx

Nhiệt đối lưu Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng ..... Nhiệt đối lưu Ngưng

Trang 1

GV: TS Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm

Các phương thức truyền nhiệt

•   Dẫn nhiệt/ Conduction : Quá trình truyền nhiệt từ phần tử

này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực

tiếp với nhau

•   Đối lưu/ Convection : Quá trình truyền nhiệt do các phần

tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có

nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn,…

•   Bức xạ/ Radiation : Qua trình truyền nhiệt dưới dạng các

sóng điện từ Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi

truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng

bức xạ đố được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ

Trang 2

QTTB II 01 TS Nguyễn Minh Tân 3

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do

Gr C

Nu = Pr ⋅

Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7

25 , 0 23

, 0 Pr

Pr Pr

51 ,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

T

Gr Nu

Với ống truyền nhiệt nằm ngang

Pr T : chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng

25 , 0

47 ,

0 Gr

Nu =

Với không khí

Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức

1.2 Nhiệt đối lưu

25 , 0 43

, 0 8 , 0

Pr

Pr Pr

Re 021 ,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

T

Lưu thể chuyển động trong ống thẳng

Với chất khí

ε k : ảnh hưởng của L/d tới hệ số cấp nhiệt

Re > 10.000

8 , 0

Re

K

C

Nu = ε

43 , 0 9 ,

0 Pr Re 008 ,

Nu = ε

2300>Re > 10.000

25 , 0 4

, 0 43 , 0 33 , 0

Pr

Pr Pr

Re 15 ,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

T

Re < 2300

Trang 3

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+

=

R

d

c α 1 ,1 77

α

Lưu thể chuyển động trong ống cong: do tác dụng của lực ly tâm,

độ xoáy sẽ tăng lên, cường độ trao đổi nhiệt tăng lên

d: đường kính trong của ống xoắn R: Bán kính cong của vòng xoắn

Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:

d tn : đường kính trong của ống ngoài

45 , 0 4

, 0 8 ,

Re 23 ,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

nt

tn d

d Nu

d nt : đường kính ngoài của ống trong

Trang 4

Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:

d tn : đường kính trong của ống ngoài

45 , 0 4

, 0 8 ,

Re 23 , 0

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

nt

tn d

d Nu

d nt : đường kính ngoài của ống trong

Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống:

d n : đường kính ngoài của ống

4 , 0

Pr

K

C

C,n: Hệ số phụ thuộc Re

4 , 0

Pr

K n

d

α =

Trang 5

Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:

25 , 0 33

, 0 65 , 0

Pr

Pr Pr

Re 23

,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

T

Nu

ϕ

ε

Dãy ống thứ ba (thẳng hàng)

25 , 0 35

, 0 60 , 0

Pr

Pr Pr

Re 41

,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

T

Nu

ϕ

ε

Dãy ống thứ ba (xen kẽ)

65 , 0 Re 21 ,

0

ϕ

ε

=

Nu

Chất khí

60 , 0 Re 37 ,

0

ϕ

ε

=

Nu

Chất khí

Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:

Hệ số cấp nhiệt trung bình của toàn bộ chùm ống

Khi số dãy ống khá lớn, có thể lấy gần đúng

3 2

1

3 3 2

2 1

1

+ +

+

+ +

+

=

F F

F

F F

F

tb

α α

3 α

αtb =

Trang 6

Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống:

D td : đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m

23 , 0 8 , 0 6 , 0

Pr Re

16 ,

1 D td

Nu =

23 , 0 8 , 0 6 , 0

Pr Re 16

,

n

D d

λ

d n : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m

Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn:

Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72

14 , 0 23

, 0 6 , 0 6 , 0

Pr

Pr Pr

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

T td

D C Nu

14 , 0 23

, 0 6 , 0 6 , 0

Pr

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

T

td n

D d

C

µ

µ λ

α

Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08

Trang 7

Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân:

d n : đường kính ngoài của ống

4 , 0 14

, 0 54

, 0

Pr

n

t

h t

d C Nu

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

C,n: Hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống: xếp thẳng hàng C = 0,116 n= 0,72

xếp xen kẽ C = 0,25 n= 0,65

t: bước của gân,m

h: khoảng cách giữa thành ống và cạnh ngoài của gân, m

Công thức được sử dụng khi 3000< Re<25000 và 3<(d/t), 4,8

Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng:

25 , 0 43

, 0 8 ,

0 Pr Re 037

,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

nt

tn

d

d Nu

Re>10.000

2 , 0

Re 032 , 0

=

Nu

Không khí

25 , 0 63

, 0 5 ,

0 Pr Re 76

,

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

nt

tn

d

d Nu

Re <100.000

5 , 0

Re 66 , 0

=

Nu

Không khí

Trang 8

Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng:

3

1

Re Pr 01 ,

0 Ga

Nu =

Re>2.000

3 9

1

2 Re Pr 67

,

Nu =

Re <2.000

λ

α H

Nu =

Trong đó

2

2 2

µ

ρg

H

Ga = Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của màng

Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy

( ) 0 , 14

33 ,

Pr

T

m

C

= λ

α H

Nu =

Trong đó

µ

πρ 2

Re = d

Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị

λ

µ

p

C

= Pr

Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67

Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62

Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị

Trang 9

Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy

( ) 0 , 14

33 ,

Pr

T

m

C

= λ

α H

Nu =

Trong đó

µ

πρ 2

Re = d

Các đại lượng C, m phụ thuộc vào cấu tạo thiết bị

λ

µ

p

C

= Pr

Thiết bị có vỏ bọc ngoài: C = 0,36; m = 0,67

Thiết bị có ống xoắn: C = 0,87; m = 0,62

Các đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong thiết bị

Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Ngưng tụ giọt

- Bề mặt thành thiết bị không

thấm nước ngưng

Ngưng tụ màng

Hệ số cấp nhiệt trong ngưng tụ giọt nhỏ hơn ngưng tụ màng

- Bề mặt thành thiết bị thấm ướt nước ngưng

- Khi hơi ngưng tụ trên một thành ống thẳng đứng, nước ngưng tạo thành một màng chất lỏng chảy dọc từ trên xuống dưới, với chiều dày tăng dần

Trang 10

Ngưng tụ màng

Lượng nhiệt truyền từ hơi đến thành thiết bị, khi qua lớp màng ngưng có thể xem

như quá trình dẫn nhiệt:

J F

t

Q bh T τ ,

δ

=

Theo phương trình tổng quát

Q = bh − T

δ

λ

Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phụ thuộc:

- Chiều dày của lớp màng

- Vận tốc và chiều chuyển động của hơi

- Trạng thái bề mặt của nước ngưng tụ

- Thành phần của hơi

Trang 11

C m W tH

r tH

g r

° Δ

= Δ

3 2 4

3 2

/ ,

04 , 2 15

,

1

µ

λ ρ µ

λ ρ α

Hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng hoặc trên mặt tường thẳng đứng:

T

bh t t

t = −

Δ

tH

r

Δ

α

C m W td

r td

g r

° Δ

= Δ

3 2 4

3 2

/ ,

28 , 1 72

,

0

µ

λ ρ µ

λ ρ α

Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một ống nằm ngang:

T

bh t

t

t = −

Δ

Trang 12

Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang:

α ε

-  Dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên một lớp nước ngưng dày hơn các dãy ống

phía trên, đồng thời vận tốc hơi cũng bị giảm từ dãy trên xuỗng dãy dưới do

một phần hơi đã ngưng tụ Hệ số cấp nhiệt giảm dần

-  Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào số ống tại từng dãy:

Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trên một ống nằm ngang

Hệ số phụ thuộc cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy (tra đồ thị thực nghiệm)

Hơi ngưng tụ trong ống xoắn:

-  Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống

nằm ngang

-  Nếu chiều dài ống xoắn lớn, nước ngưng tụ dồn xuống đoạn cuối ống và

giảm áp suất hơi -> giảm hiệu quả truyền nhiệt

-  Tỉ số tới hạn l/d phụ thuộc vào áp suất hơi

Hơi có chứa không khí:

-  Hệ số cấp nhiệt tính gần đúng giống trường hợp ngưng tụ bên ngoài một ống

nằm ngang nhân thêm với hệ số điều chỉnh ε phụ thuộc :

o  Nồng độ không khí trong hơi

o  Vận tốc hơi

o  …

Trang 13

Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi

-  Một chất lỏng bất kỳ chỉ có thể được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa

-  Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt thì chất lỏng sôi

Quá trình sôi:

- Tạo thành bọt hơi

- Bọt tạo thành trên bề mặt đun nóng từ những điểm riêng biệt

-  Bề mặt đung nóng thấm ướt tốt thì hệ số cấp nhiệt…?

- Bọt khí sau khi tách khỏi bề mặt đun nóng thì nổi lên trên và tăng thể tích

-  Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề

mặt đun nóng và chất lỏng sôi

2

/

t

q = α Δ

- Sôi sủi bọt: hiệu số nhiệt độ tăng, tâm tạo

bọt tăng, bọt hơi hình thành nhiều, làm

tăng vận tốc chuyển động của chất lỏng,

chất lỏng bị xáo trộn mạnh, hệ số cấp

nhiệt…?

- Sôi màng: bọt hơi kết dính với nhau tạo

thành màng hơi trên bề mặt đun nóng, hệ

số cấp nhiệt giảm đột ngột

Trang 14

nhiệt…?

C m W q

p

n = 3 , 14 0,13 0,7, / 2° α

Với các chất lỏng không phải là nước

C m W t

p

n = 45 , 3 0,5Δ 2,33, / 2° α

Hoặc

n

ψα

α =

435 , 0 2 2

565 , 0

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

n

dd n

dd

C

µ

µ ρ

ρ λ

λ ψ

Với

2

/ , W m t

q = α Δ

-  Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề

mặt đun nóng và chất lỏng sôi

nhiệt…?

C m W q

p

n = 3 , 14 0,13 0,7, / 2°

α

Hoặc

C m W t

p

n = 45 , 3 0,5Δ 2,33, / 2°

α

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	2,06 MB