Các quá trình truyền nhiệt - Phần 2 ppt

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 : Qu

Phần 2 Các quá trình truyền nhiệt

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 lại, và một phần xuyên qua vật thể

Đối lưu

Dòng đối lưu được hình

thành khi trong nồi có

nước được đun nóng

Dòng không khí đối lưu hình thành do chênh lệch nhiệt độ giữa đại dương và lục địa

Tại sao bộ phận sưởi được đặt dưới sàn, còn giàn lạnh của tủ lạnh được đặt phía trên?

Dòng đối lưu Giàn lạnh

Bộ phận sưởi

1.2 Nhiệt đối lưu

Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp, để đơn giản hóa, người ta dùng định luật cấp nhiệt của NEWTON

 t t dFd

dQ  T 

Với quá trình ổn định:

1.2.1 ĐỊNH LUẬT CẤP NHIỆT NEWTON

Lượng nhiệt dQ do một phân tố bề mặt dF của vật rắn cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian d thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường, với dF và d

Q   T  ,

Hệ số cấp nhiệt : là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường

cấp cho môi trường xung quanh(hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian một giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hoặc ngược lại) là 1 độ.

Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

•Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi)

•Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt

•Tính chất vật lý của chất tải nhiệt

•Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt,…

1.2 Nhiệt đối lưu

           













C m

W F

t t

Q



1.2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU

- Cơ sở Định luật cân bằng nhiệt

- Tách phân tố thể tích dV=dxdydz từ dòng chảy

- Chỉ xét trường hợp trao đổi nhiệt ổn định

1.2 Nhiệt đối lưu

Lượng nhiệt đi vào và đi ra khỏi phân tố dV do các phần tử của môi

trường chuyển động mang vào và mang ra

Lượng nhiệt mang vào tính trên trục ox trong một đơn vị thời gian:

dydz W

t C

Qx  p  x

Trong cùng thời gian đó, lượng nhiệt mang ra khổi mặt đối diện là:

dxdydz x

W t

C dydz

W t

C dQ

Q



















1.2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2 Nhiệt đối lưu

x

t W

x

W t

C dydz

W t C dQ

Q

p x

p x

x dx





























Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:

x

t W

x

W t

C Q

Q

p x

dx x

























Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Oy tích lại trong phân tố dV:

y

t W

y

W t

C Q

Q

p y

dy y y































Lượng nhiệt do đối lưu tích theo phương Ox tích lại trong phân tố dV:

  W W t dxdydz t

C Q

Q

p z

dz z

z             

1.2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2 Nhiệt đối lưu

Lượng nhiệt toàn phần:

z

t W

y

t W

x

t W

z

W y

W x

W t

C

p

































































z y

dQ

Với dòng liên tục có:        0

































z

W y

W x

Wx  y  z



Nên:

V

d z

t W

y

t W

x

t W

C

dQ p x y z































1.2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CỦA NHIỆT ĐỐI LƯU 1.2 Nhiệt đối lưu

Với quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt ở trong nguyên tố dV là không

đổi Lượng nhiệt này phải bằng lượng nhiệt dẫn qua các mặt của dV là dQ:

  t dV V

d z

t W

y

t W

x

t W

C

dQ p x y z  2





























Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff:

C

t z

t W

y

t W

x

t W

C

p

z y

x



































1.2.3 ĐỒNG DẠNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT 1.2 Nhiệt đối lưu

Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình:

-Phương trình vi phân cân bằng của Ơle

-Phương trình dòng liên tục

-Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier- Kirchhoff

Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển pt vi phân thành pt chuẩn số

Chuẩn số Nuxen 1.2 Nhiệt đối lưu

Trong quá trình truyền nhiệt ổn định, lượng nhiệt truyền do dẫn nhiệt phải

bằng lượng nhiệt truyền do cấp nhiệt:

Chuẩn số Nuxen đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới

 

dn

dt t

   

Đưa chuẩn số đồng dạng vào:

dn

dt a

a a t

t a

a

l

t a T

t

l

t a t

a a a

a

a

a l





Chuẩn số Pecle 1.2 Nhiệt đối lưu

Được rút ra từ phương trình Fourier- Kirchhoff

Ngoài các chuẩn số trên, từ các pt chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr,

Re, nên có thể biểu diễn:

2

2

x

t a x

t

w x











Ví dụ đối với trục ox:

Pe a

wl 

a

l w a

l

2

2 2 1

1 1

F

1.2 Nhiệt đối lưu

Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường







 







a

wl a

wl



Re Pr

Trong khi

f

Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile, Ga: 2

3 2

2

2

Re

.





wl w

gl Fr















Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên:

t

gl

Gr   

 2 3

1.2 Nhiệt đối lưu

Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số là

Quá trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối lưu tự nhiên:

f

Với các chất khí, chuẩn số Pr không biến đổi nhiều theo nhiệt độ:

3

f

Chuyển động cưỡng bức Nu  f3  Re

Đối lưu tự nhiên

n m

C

Dạng cụ thể ở dạng hàm số mũ

1.2 Nhiệt đối lưu

 k m Gr n 

l

Hệ số được xác định theo quan hệ :

Hệ số cấp nhiệt chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt