CHƯƠNG 1 TRUYỀN NHIỆT P3

Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi pha • Đối lưu nhiệt cưỡng bức oLưu chất chuyển động trong ống, rãnh Chảy rối › Đối với chất khí thì Pr/PrT 1 › Khi L/d... Sự cấp nhiệt không kèm biến đổ

Trang 1

Dẫn nhiệt chủ yếu chỉ xảy ra bên trong vật rắn

Trong trường hợp chất lỏng và chất khí, phương thức truyền nhiệt chủ yếu là

đối lưu nhiệt

Trang 2

16/06/17

18

Nhiệt đối lưu có 2 loại:

• Đối lưu tự nhiên

• Đối lưu cưỡng bức

1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton

Định luật: lượng nhiệt dQ do một nguyên tố bề mặt dF

của vật thể có nhiệt độ t T cấp cho môi trường xung

quanh có nhiệt độ t trong khoảng thời gian d tỷ lệ với

hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường với dF và

d

J

ot T : nhiệt độ bề mặt của vật thể,oC

ot: nhiệt độ của môi trường xung quanh,oC

o: hệ số cấp nhiệt W/m2.K

Nếu quá trình cấp nhiệt ổn định

Trang 3

16/06/17

20

 Hệ số cấp nhiệt  là lượng nhiệt do một đơn vị diện tích bề mặt của

tường (vách) cấp cho môi trường xung quanh hay ngược lại nhận được từ

môi trường xung quanh (môi trường chất lỏng hay chất khí) trong trong

một đơn vị thời gian khi chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tường và môi

trường chất lỏng hay chất khí là 1 độ.

• Đơn vị của hệ số cấp nhiệt

.

• Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp, nó phụ thuộc vào nhiều

yếu tố như tính chất của từng chất lỏng hay khí như: độ nhớt, khối

lượng riêng, đặc tính chuyển động, nhiệt độ, nhiệt dung riêng…

1.2.2. Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu

Sinh viên xem giáo trình

Trang 4

16/06/17

22

Để xác định hệ số cấp (hay tỏa) nhiệt có thể dùng 2 phương pháp sau:

• Phương pháp giải tích hay còn gọi là phương pháp vật lý – toán

• Phương pháp thực nghiệm

1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt

Phương pháp giải tích

• Để xác định hệ số tỏa nhiệt bằng phương pháp giải tích ta cần viết phương

trình hoặc hệ phương trình vi phân miêu tả cho quá trình và giải phương

trình hoặc hệ phương trình vi phân kết hợp với các điều kiện đơn trị

• Việc xác định hệ số tỏa nhiệt bằng giải tích còn bị hạn chế Sự hạn chế

không phải ở việc thiết lập và giải phương trình hoặc hệ phương trình vi

phân mà ở chỗ để có được nghiệm chính xác thì các điều kiện đơn trị của

bài toán đưa vào phải đầy đủ và đúng

• Việc đưa đầy đủ các điều kiện đơn trị vào để giải bài toán là một vấn đề

khó, đặc biệt đối với các trường hợp phức tạp

• Vì vậy phương pháp giải tích hiện nay mới chỉ được dùng cho một số

trường hợp đơn giản

Trang 5

16/06/17

24

Phương pháp thực nghiệm

• Để xác định bằng thực nghiệm, ta cần xây dựng thí nghiệm để đo một số

đại lượng cần thiết từ đó có thể xác định được  Nhưng bằng phương

pháp này thì kết quả đo được chỉ đúng đối với hiện tượng thí nghiệm, như

vậy số thí nghiệm phải thực hiện sẽ rất lớn

• Để mở rộng kết quả thực nghiệm cần sử dụng lý thuyết đồng dạng nhiệt

Quá trình truyền nhiệt bằng đối lưu được đặc trưng bằng một hệ phương

trình, gồm phương trình dòng liên tục, phương trình vi phân cấp nhiệt Fourie

R.Kirchkoff, do vậy nó rất phức tạp Vậy để giải các phương trình đó ta phải

dựa vào thuyết đồng dạng

Dựa vào các phương trình vi phân về cấp nhiệt và thuyết đồng dạng ta rút ra

các chuẩn số đồng dạng, do đó ta rút ra được các phương trình chuẩn số cho

quá trình cấp nhiệt

Lý thuyết đồng dạng (sinh viên xem giáo trình)

Trang 6

16/06/17

26

Trong trao đổi nhiệt đối lưu ổn định ta thường gặp các chuẩn số đồng dạng

cơ bản sau:

• Chuẩn số Nusselt (Nu)

oĐặc trưng cho quá trình cấp nhiệt ở bề mặt phân giới

• Chuẩn số Reynolds (Re)

oĐặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu cưỡng bức

Trong trao đổi nhiệt đối lưu ổn định ta thường gặp các chuẩn số đồng dạng

cơ bản sau:

• Chuẩn số Prandtl (Pr)

oĐặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường

• Chuẩn số Grashoff (Gr)

oĐặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên

Δ

• Chuẩn số Rayleigh (Ra)

Trang 7

16/06/17

28

Trong các chuẩn số nêu trên, chuẩn số Nusselt chứa đại lượng cần tìm là hệ

số cấp nhiệt nên được gọi là chuẩn số cần xác định Các chuẩn số còn lại là

chuẩn số xác định Vì hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên cần

tìm mối quan hệ giữa chuẩn số Nusselt và các chuẩn số khác

Phương trình nêu lên mối quan hệ giữa chuẩn số cần xác định và các chuẩn

số xác định gọi là phương trình chuẩn số

Phương trình tổng quát của quá trình cấp nhiệt

, ,

Nếu phương trình cấp nhiệt xảy ra trong đối lưu cưỡng bức thì ta có thể bỏ

qua chuẩn số Gr

Nếu phương trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối lưu tự nhiên thì ta có thể

bỏ qua chuẩn số Re

Đối với chất khí, sự biến đổi của Pr theo nhiệt độ là rất ít, nghĩa là Pr=const

nên Nu sẽ không biến đổi theo Pr.

Hai hiện tượng đồng dạng với nhau thì các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có

giá trị như nhau, có nghĩa là hai hiện tượng đó có thể biểu diễn bằng cùng

một phương trình tiêu chuẩn

Vì thế khi tiến hành thí nghiệm để xác định hệ số tỏa nhiệt trong một trường

hợp nào đó thì kết quả thí nghiệm cần được tổng quát hóa dưới dạng phương

trình tiêu chuẩn và phương trình này sẽ được sử dụng cho hiện tượng đồng

dạng với hiện tượng thí nghiệm

Trang 8

16/06/17

30

A Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi pha

• Đối lưu tự nhiên trong không gian rộng lớn

oCông thức của Mikhêep

Nhiệt độ xác định là tm=0,5.(tT+t)

Các hệ số C và n được chọn theo bảng sau

1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt

Có thể dùng công thức trên cho trường hợp mặt phẳng nằm ngang bị

đốt nóng

› Từ dưới: phải tăng kết quả tính thêm 30%

› Từ trên: phải giảm kết quả tính 30%

Riêng đối với không khí thì

0,47 /

Kích thước xác định là chiều cao H của tường đứng

Trang 9

16/06/17

32

Ví dụ: Nước nóng chuyển động trong ống đứng để trần, tính tổn thất

nhiệt do tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên gây nên Biết đường kính ống là

50mm, chiều cao ống là 3m, nhiệt độ bề mặt ngoài của ống là 90oC,

nhiệt độ không khí xung quanh là 10oC

• Đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn (hẹp)

oHiện tượng truyền nhiệt xảy ra rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu

tố về quá trình và về đặc tính không gian Chẳng hạn nếu tỷ số giữa

H/ 3 thì có thể xem như khoảng không gian rộng lớn, dòng lên và

dòng xuống không ảnh hưởng nhau

oMikhêep dùng khái niệm “độ dẫn nhiệt tương đương”tđvà hệ số đối

lưunhư sau:

Trang 10

16/06/17

34

o Với Ra>1000 có thể tính gần đúng

0,18 ,

o Nhiệt lượng dẫn qua khe

đ Δ . Δ

o Đối với khe không khí có thể dùng công thức của Exkert

0,119 ,

o Kích thước xác định là khoảng cách giữa 2 tấm, nhiệt độ xác định là nhiệt độ

trung bình của 2 bề mặt

oVí dụ: Tìm hệ số dẫn nhiệt tương đương của một khe hẹp không khí do 2

tấm phẳng đặt nằm ngang tạo nên Chiều dày của khe hẹp là 25mm, nhiệt

độ bề mặt nóng là 150oC, nhiệt độ bề mặt lạnh là 50oC

Trang 11

16/06/17

36

• Đối lưu nhiệt cưỡng bức

o Lưu chất chuyển động trong ống, rãnh

Chảy rối

› Ống thẳng

0,021 , ,

,

› Nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của lưu chất

› Kích thước xác định là đường kính tương đương của ống

› Điều kiện áp dụng:

•Ống tròn, vuông, tam giác, ống lồng ống với d 2 /d 1= 1,5 ÷ 5,6; khe hở a/b = 1 ÷

40

A Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi

pha

oLưu chất chuyển động trong ống,

rãnh

Chảy rối

› Đối với chất khí thì Pr/PrT 1

› Khi L/d <50 thì phải nhân

them hệ sốL

L/d

2.10 3 1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1

1.10 4 1,65 1,50 1,34 1,23 1,27 1,13 1,07 1,03 1

2.10 4 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 1

5.10 4 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 1

1.10 5 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1

1.10 6 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1

Trang 12

16/06/17

38

oLưu chất chuyển động trong ống, rãnh

Chảy rối

› Trong trường hợp chảy trong ống cong thì phải nhân thêm hệ số R

1 1,77

› Với R là bán kính cong của vòng xoắn

Chảy dòng

0,17 , , ,

,

› Trường hợp ống ngắn L/d < 50 thì nhân thêm L

L 1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1

Trang 13

16/06/17

40

Chảy quá độ (xem giáo trình)

• Ví dụ 1: Nước chảy trong ống có đường kính 17mm, dài 1,5m với vận tốc

2m/s Biết nhiệt độ trung bình của nước là 30oC Hãy xác định hệ số cấp

nhiệt khi biết nhiệt độ bề mặt là 70oC

• Ví dụ 2: Không khí chuyển động trong ống có đường kính 50mm, dài 1,75m

với vận tốc 10m/s Nhiệt độ trung bình của không khí là 100oC Hãy xác

định hệ số cấp nhiệt

o Lưu chất chuyển động bên ngoài vật

Chảy ngang qua tấm phẳng

› Khi Re<10 5

0,76 , ,

,

› Khi Re 10 5

0,037 , ,

,

Trang 14

16/06/17

42

oLưu chất chuyển động bên ngoài vật

Chảy ngang qua tấm phẳng

› Nhiệt độ xác định

1 2

đ

2

• Ví dụ: Có một tấm phẳng trơn chiều rộng 1m, dài 1,2m, nhiệt độ vách 80oC

Nhiệt độ không khí vào và ra là 20oC và 30oC Tốc độ chảy qua tấm là 6m/s

Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng tỏa ra trên bề mặt

Chảy ngang qua một ống

,

Re =10 3 ÷2.10 5 0, , ,

,

Đối với không khí

Trang 15

16/06/17

44

› Khi dòng chảy không vuông góc với ống thì nhân thêm hệ sốnhư

sau

 0,42 0,50 0,63 0,75 0,80 0,95 0,99 1,00 1,00

• Ví dụ: Nước chảy ngang qua một ống thẳng có đường kính 20mm với tốc

độ 0,5m/s Nhiệt độ trung bình của nước 15oC, nhiệt độ bề mặt 80oC Tính

hệ số cấp nhiệt

Trang 16

16/06/17

46

Chảy ngang qua ống chùm

› Ống xếp thẳng hàng s1

s2

› Ống xếp so le s

1

s2

Trang 17

16/06/17

› Với Re=200÷2.105, hệ số cấp nhiệt từ dãy ống thứ 3 trở đi là ổn định

và như nhau, được xác định theo phương trình chuẩn số sau (dòng

chảy vuông góc ống)

Ống xếp thẳng hàng 0, . 0,65 0,33

0,25

Ống xếp so le 0, . 0,60 0,33

0,25

› Ống xếp so le

› Nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của lưu chất

› Tốc độ xác định lấy tại chỗ hẹp nhất giữa các dãy ống

› Kích thước xác định là đường kính ngoài của ống

› Riêng đối với không khí

,

Trang 18

16/06/17

› Đối với dãy ống đầu phải nhân thêm hệ sốl=0,6

0,6

› Đối với dãy ống thứ 2 phải nhân thêm hệ sốlnhư sau

› Hệ số cấp nhiệt trung bình của cả chùm ống

∑

› Trường hợp dòng chảy xiên góc thì phải thêm hệ số

 0,42 0,52 0,67 0,78 0,88 0,94 0,98 1,00 1,00

Trang 19

16/06/17

› Isachenco V.P đề nghị một công thức thực nghiệm khác như sau (cho

chùm ống) với 103Re105

,

› Các hệ số C, n,scho như sau

› Ống xếp so le: C=0,91; n=0,6

Trang 20

16/06/17

› Kích thước xác định là đường kính ngoài của ống

› Hế sốinhư sau:

• Ví dụ: Tính hệ số cấp nhiệt của một cụm ống song song do 4 hàng ống tạo

thành, nếu biết đường kính ống là 60mm, s1/d=s2/d=2 Nhiệt độ trung

bình của dòng khí 600oC, nhiệt độ bề mặt vách ống 120oC, tốc độ trung

bình của khí ở chỗ hẹp nhất là 8m/s, góc va bằng 60o

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	762,97 KB