Bài giảng Truyền nhiệt: Chương 5 - ThS. Phan Thành Nhân

Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 5: Toả nhiệt đối lưu tự nhiên. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm chung, tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng, toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

CHƯƠNG 5 TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN

2 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng

3 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp

1 Khái niệm chung

Quá trình toả nhiệt đối lưu tự nhiên gặp rất phổ biến trong kỹ thuật và trong các hoạt động cuộc sống của con người:

Ví dụ:

– quá trình giải nhiệt cho các thiết bị điện tử, – transistor công suất, các mạch điện tử,

– các tấm bức xạ nhiệt, – làm nguội các vật đúc, – hoặc trong các hệ thống lạnh ứng dụng cho các dàn lạnh, các

thiết bị ngưng tụ, bay hơi … – hoặc là các quá trình tỏa nhiệt của các vật thể đặt trong tự nhiên,

Cơ chế chuyển động trong quá trình

• Động lực chuyển động gây nên bởi ∆ρ = ρw - ρf

• ∆ρ là do ∆t = tw - tf

Vật thể nóng

Dòng khí ấm

Dòng khí lạnh

( W / m K )

, t t

f

w −

= α

( t , t , , , , , C , , , )

f w f ω λ ρ µ p φ δ

= α

Hệ số toả nhiệt

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố:

ω Tốc độ chuyển động của lưu chất, m/s

λ Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, W/mK

µ Hệ số nhớt động lực học, N.s/m2

φ Hình dáng hình học

δ Kích thước tính toán, m

………

Tìm hệ số toả nhiệt α của quá trình đối lưu tự nhiên

Toả nhiệt đối lưu tự nhiên được phân làm 2 loại

• Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng

• Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp

2 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng:

Biên dạng nhiệt độ

Biên dạng vận tốc

Lớp biên

w

t

to

tw

Khảo sát vách phẳng nóng được làm nguội

bằng cách nhúng vào trong bể chứa lưu chất

lỏng yên lặng

Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trên một bề

mặt phụ thuộc:

• Hình dáng hình học của bề mặt đó cũng

như là vị trí và hướng đặt của bề mặt.

• Nhiệt độ của bề mặt

• Đặc tính nhiệt vật lý của dòng lưu chất

Theo Tiêu chuẩn Grashof: số hạng biểu diễn tỷ số của lực nâng và lực ma sát tác động trên dòng lưu chất

Chế độ dòng chảy trong đối lưu tự nhiên chịu tác động của số không thứ nguyên Gr:

2

3 t l

g Gr

ν

∆

β

≡

Với g: là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

β: hệ số giãn nở nhiệt, 1/K (đối với khí lý tưởng β=1/T )

tw: nhiệt đô bề mặt vách

t0: nhiệt độ dòng lưu chất l: chiều dài hình học tương đương, m ν: độ nhớt động học của lưu chất, m 2 /s

Số Gr là tiêu chuẩn để xác định dòng lưu chất ở chế độ chảy tầng

hay chảy rối trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên

Ví dụ: đối với tấm phẳng đặt đứng, số Gr tới hạn được xác định là khoảng 10 9

dòng lưu chất chảy rối khi số Gr lớn hơn giá trị tới hạn 10 9

Qua phân tích các dữ liệu thực nghiệm

Tương quan thực nghiệm cho số hạng Nu trung bình trong toả

nhiệt đối lưu

Ra C Pr

Gr C

l

λ α

=

( )n n

Ra C Pr

Gr C

λ

α

Nu

2

3 t l

g Gr

ν

∆

β

=

a

Pr = ν

Giá trị nhiệt độ trung bình tính toán:

(từ t tb tra các thông số vật lý λ, ν, Pr)

Lưu chất lỏng giọt: β tra bảng Lưu chất khí (hơi): β = 1/ T = 1/ (t tb + 273) , 1/K

Kích thước tính toán:

– Vách đứng, ống đứng: chọn chiều cao l =H

– Ống nằm ngang: chọn đường kính l = d

– Tấm phẳng đặt nằm ngang: chọn kích thước ngắn

2

1

Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng

Chảy quá độ (từ màng sang tầng) 0,001 ÷ 500 1,18 1/8

Chảy tầng 500 ÷ 2.10 7 0,54 1/4

Chảy rối 2.10 7 ÷ 10 13 0,135 1/3

Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng

Ra = Gr.Pr

Bề mặt nóng hướng lên trên hướng xuống dưới Bề mặt nóng

Trường hợp đặc biệt: Đối với tấm phẳng đặt nằm ngang

Ví dụ 1:

Xét một đường ống dẫn nước nóng dài L = 6m, đường kính ngoài D = 8cm đặt nằm ngang đi qua một phòng rộng có nhiệt độ phòng là t0 = 18oC

Nhiệt độ bề mặt ngoài của ống là tw = 70oC

Hãy xác định lượng nhiệt tổn thất qua ống do quá trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên?

Ví dụ 2:

Xét một tấm phẳng hình vuông có kích thước 0,6 x 0,6m được đặt trong gian phòng có nhiệt độ t0 = 30oC Một bề mặt tấm phẳng luôn được duy trì ở nhiệt độ 74oC, mặt bên kia được cách nhiệt

Hãy xác định lượng nhiệt trao đổi từ tấm phẳng và môi trường bằng đối lưu tự nhiên qua các trường hợp sau:

a) Tấm phẳng đặt đứng

b) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng lên trên c) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng xuống

dưới

3 Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp:

Có thể xem quá trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian kín là quá trình dẫn nhiệt ổn định qua một lớp lưu chất

(có xét đến toả nhiệt đối lưu)

Hệ số dẫn nhiệt tương đương: λtđ

δ

−

⋅

⋅ λ

t đ conv

T

T F Q

λ ε

=

λtđ tđ.

Xác định ε tđ :

• Kích thước các định: l = δ

• Nhiệt độ tính toán: t = 0,5(tw1 + tw2)

• Tính số Gr:

2

2 w 1

w

3

) t t

( l g Gr

ν

− β

=

Gr.Pr < 10 3 εtđ = 1 Gr.Pr ≥ 10 3 εtđ = 0,18(Gr.Pr) 0,25

Theo số liệu thực nghiệm:

λ ε

=

λtđ tđ.

δ

−

⋅

⋅ λ

t đ conv

t

t F Q

Ví dụ 3:

Xét một cửa sổ cao 0,8m, rộng 2m loại cửa sổ kép hai lớp kính

Giữa hai lớp kính là một lớp không khí có bề dày là 2cm, Nhiệt độ tại hai bề mặt kính đo được là 12oC và 2oC

Hãy xác định lượng nhiệt truyền qua cửa sổ

Tài li ệu tham khảo:

1 Hoàng Đình Tín, truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi

Đại học Bách Khoa TpHCM

3 J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill

H ẾT CHƯƠNG 5