CHƯƠNG V. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2. Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu
+ Chuyển động tự nhiên: Gây ra trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên.
Là chuyển động gây ra bởi độ chênh mật độ (khối lƣợng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau.
Chuyển động tự nhiên phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ, độ nhớt và không gian.
Lực nâng P = g(2 - 1) sẽ quyết định chuyển động tự nhiên của môi chất.
+ Chuyển động cƣỡng bức:
Là chuyển động gây ra bởi ngoại lực, nhƣ dùng quạt để đẩy chất khí chuyển động hay dùng bơm để đẩy chất lỏng chuyển động
Trong chuyển động cưỡng bức luôn có chuyển động tự nhiên, nếu cường độ chuyển động cưỡng bức lớn → có thể bỏ qua ảnh hưởng của chuyển động tự nhiên.
Trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng với chuyển động cưỡng bức gọi là TĐNĐL cƣỡng bức.
b> Chế độ chuyển động: Gồm 2 chế độ + Chế độ chảy tầng
+ Chế độ chảy rối
- Chế độ chảy tầng: Là chế độ chảy mà các phần tử chất lỏng, khí có quỹ đạo song song với nhau và chuyển động cùng với hướng của dòng.
- Chế độ chảy rối: Là chế độ chảy mà quỹ đạo các phần tử chất lỏng hay chất khí không tuân theo quy luật xác định.
→ Đặc trƣng cho chế độ chảy là tiêu chuẩn Reynold:
Trong đó: : Tốc độ chuyển động, m/s l : Kích thước xác định, m
: Độ nhớt động học, m2/s
Trị số Re tương ứng với chế độ CĐ từ chảy tầng sang chảy sối gọi là Re tới hạn.
Thí dụ:
Đối với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trong ống, Re tới hạn = 2300, khi đó:
Re < 2300 -> Chế độ chảy tầng Re > 2300 -> Chế độ chảy rối
Re l
c> Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí
Quá trình TĐNĐL phụ thuộc rất nhiều vào tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí:
+ Khối lƣợng riêng (mật độ) + Nhiệt dung riêng Cp
+ Hệ số dẫn nhiệt + Hệ số dẫn nhiệt độ a + Độ nhớt động học ν + Độ nhớt động lực + Hệ số giãn nở thể tích .
d> Hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt
Hình dáng, kích thước, vị trí của vách rắn khác nhau dẫn tới cường độ trao đổi nhiệt cũng khác nhau.
Thí dụ:
+ Trao đổi nhiệt giữa tấm phẳng đặt đứng với chất lỏng, chất khí chuyển động sẽ khác với TĐN của một ống hay dây đặt đứng.
+ Trao đổi nhiệt của tấm phẳng đặt đứng sẽ khác TĐN của tấm phẳng đặt nằm ngang …
II. CÔNG THỨC NEWTON VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT 1. Công thức Newton
Để tính lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lỏng hay chất khí, thường dùng công thức Newton:
Trong đó:
q: Là mật độ dòng nhiệt, W/m2 Q: Dòng nhiệt, W
F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 tw: Nhiệt độ của bề mặt vách
tf: Nhiệt độ của chất lỏng hay chất khí ở xa bề mặt vách
: Hệ số toả nhiệt, W/m2K
Là lƣợng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian khi độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vách và chất lỏng (khí) là 1 độ.
Hệ số toả nhiệt phụ thuộc vào nhiều nhân tố
2
w f
w f
q t t (W / m ) Q q.F F t t (W)
w f
Q F t t
w f
f ,c, , ,a, , ,t ,t ,k ch th c,...
Ý í
2. Các phương pháp xác định hệ số toả nhiệt : có 2 phương pháp + Phương pháp giải tích hay còn gọi là phương pháp vật lý – toán.
Tìm dựa trên việc thiết lập và giải các hệ phương trình vi phân mô tả quá trình.
• Phương trình năng lượng:
• Phương trình chuyển động (ví dụ theo trục x):
• Phương trình liên tục:
• Phương trình trao đổi nhiệt:
Việc làm này khó và hiện nay chỉ mới giải quyết được đối với một vài trường hợp đơn giản. (Đọc sách)
+ Phương pháp thực nghiệm.
Bằng thực nghiệm có thể gián tiếp xác định đƣợc qua đo mật độ dòng nhiệt q và hiệu nhiệt độ (tw - tf).
Nhưng bằng phương pháp thực nghiệm thì trị số lại chỉ đúng cho trường hợp ta làm thí nghiệm.
Để khái quát hóa kết quả thực nghiệm cho các trường hợp khác, cần phải dựa vào lý thuyết đồng dạng.
w f
q t t
III. CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN 1. Điều kiện đồng dạng
Hai hiện tƣợng vật lý đồng dạng với nhau khi hai hiện tƣợng đó cùng bản chất vật lý và được mô tả bằng phương trình và hệ phương trình vi phân giống nhau.
Định lý 1:
Hai hiện tƣợng đồng dạng với nhau thì các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có giá trị bằng nhau.
Tiêu chuẩn đồng dạng là tổ hợp không thứ nguyên của một số đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hiện tƣợng đó.
Định lý 2:
Nếu các hiện tượng vật lý được miêu tả bằng hệ phương trình vi phân thì luôn luôn có thể miêu tả các hiện tượng vật lý đó dưới dạng phương trình tiêu chuẩn.
Định lý 3:
Các hiện tƣợng có điều kiện đơn trị đồng dạng và các tiêu chuẩn rút ra từ các điều kiện đơn trị có giá trị bằng nhau từng đôi một thì đồng dạng với nhau.