Phần 2 Các quá trình truyền nhiệ docx

1
Phần 2
Các quá trình truyền nhiệt
GV: TS. Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QTTB CN Hóa – Thực phẩm
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 2
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
2
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 3
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do
1.2. Nhiệt đối lưu
( )
n
GrCNu ⋅= Pr
Với chất lỏng có tính thấm ướt thành bình và có Pr > 0,7
( )
25,0
23,0
Pr

Pr
Pr51,0
!
!
"
#
$
$
%
&
⋅=
T
GrNu
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 GrNu =
Với không khí
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 4
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
25,0
43,08,0
Pr
Pr
PrRe021,0
!

!
"
#
$
$
%
&
⋅=
T
K
GrNu
ε
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
CNu
ε
=
43,09,0
PrRe008,0
K
Nu
ε
=

2300>Re > 10.000
25,0
4,043,033,0
Pr
Pr
PrRe15,0
!
!
"
#
$
$
%
&
=
T
d
GrNu
ε
Re < 2300
3
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 5
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
!
"
#
$
%

&
+=
R
d
c
77,11
αα
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
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 6
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:
d
tn
: đường kính trong của ống ngoài
45,0
4,08,0
PrRe23,0
!
!
"
#
$
$
%
&

=
nt
tn
d
d
Nu
d
nt
: đường kính ngoài của ống trong
4
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 7
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn:
d
tn
: đường kính trong của ống ngoài
45,0
4,08,0
PrRe23,0
!
!
"
#
$
$
%
&
=

nt
tn
d
d
Nu
d
nt
: đường kính ngoài của ống trong
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 8
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống:
d
n
: đường kính ngoài của ống
4,0
PrRe
n
K
CNu
ε
=
C,n: Hệ số phụ thuộc Re
4,0
PrRe
n
K
n
d

C
ε
λ
α
=
5
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 9
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống:
25,0
33,065,0
Pr
Pr
PrRe23,0
!
!
"
#
$
$
%
&
⋅=
T
Nu
ϕ
ε
Dãy ống thứ ba (thẳng hàng)

25,0
35,060,0
Pr
Pr
PrRe41,0
!
!
"
#
$
$
%
&
⋅=
T
Nu
ϕ
ε
Dãy ống thứ ba (xen kẽ)
65,0
Re21,0
ϕ
ε
=Nu
Chất khí
60,0
Re37,0
ϕ
ε
=Nu

Chất khí
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 10
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. 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


321
332211
+++
+++
=
FFF
FFF
tb
ααα
α
3
αα
=
tb
6
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 11
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống:

D
td
: đường kính tương đương của khoảng không gian giữa các ống,m
23,08,0
6,0
PrRe16,1
td
DNu =
23,08,0
6,0
PrRe16,1
td
n
D
d
λ
α
=
d
n
: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt,m
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 12
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chảy dọc bên ngoài một chùm ống có tấm chắn chia ngăn:
Tấm chắn hình viên phân: C = 1,72
14,0
23,06,0
6,0

Pr
Pr
PrRe
!
!
"
#
$
$
%
&
=
T
td
DCNu
14,0
23,06,0
6,0
PrRe
!
!
"
#
$
$
%
&
=
T
td

n
D
d
C
µ
µλ
α
Tấm chắn hình vanh khan: C = 2,08
7
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 13
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chảy ngang bên ngoài chùm ống có gân:
d
n
: đường kính ngoài của ống
4,0
14,0
54,0
PrRe
n
n
t
h
t
d
CNu
−
−

"
#
$
%
&
'
"
#
$
%
&
'
=
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
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 14
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chuyển động dọc theo tường phẳng:
25,0
43,08,0
PrRe037,0
!
!
"

#
$
$
%
&
=
nt
tn
d
d
Nu
Re>10.000
2,0
Re032,0=Nu
Không khí
25,0
63,05,0
PrRe76,0
!
!
"
#
$
$
%
&
=
nt
tn
d

d
Nu
Re <100.000
5,0
Re66,0=Nu
Không khí
8
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 15
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức
1.2. Nhiệt đối lưu
Lưu thể chảy thành màng theo tường thẳng đứng:
3
1
Re.Pr.01,0 GaNu =
Re>2.000
3
9
1
2
PrRe67,0 GaNu =
Re <2.000
λ
α
H
Nu =
Trong đó
2
22
µ

ρ
g
H
Ga =
Các đại lượng vật lý lấy theo
nhiệt độ trung bình của màng
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 16
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy
1.2. Nhiệt đối lưu
( )
14,0
33,0
Re.Pr
T
m
CNu
µ
µ
=
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
9
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 17
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi lưu thể bị khuấy trộn bằng cánh khuấy
1.2. Nhiệt đối lưu
( )
14,0
33,0
Re.Pr
T
m
CNu
µ
µ
=
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
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 18
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
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
10
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 19
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
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:
JF
tt
Q
Tbh
,
τ
δ
λ
−
=
Theo phương trình tổng quát
( )
τα
FttQ
Tbh
−=
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 20
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu

δ
λ
α
=
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
11
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 21
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
CmW
tH
r
tH
gr
°
Δ
=
Δ
=
2
4
32
4
32
/,04,215,1

µ
λρ
µ
λρ
α
Hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng hoặc trên mặt tường thẳng đứng:
Tbh
ttt −=Δ
Với hơi nước
CmW
tH
r
A °
Δ
=
2
4
/,04,2
α
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 22
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
CmW
td
r
td
gr
°
Δ

=
Δ
=
2
4
32
4
32
/,28,172,0
µ
λρ
µ
λρ
α
Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một ống nằm ngang:
Tbh
ttt −=Δ
Với hơi nước
CmW
td
r
A °
Δ
=
2
4
/,28,1
α
12
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 23

1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
Hơi ngưng tụ trên bề mặt ngoài của một chùm ống nằm ngang:
αεα
tbtd
=
-  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)
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 24
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ
1.2. Nhiệt đối lưu
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  …
"
13
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 25
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
1.2. Nhiệt đối lưu
-  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
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 26
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
1.2. Nhiệt đối lưu
j
-  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
/, mWtq Δ=
α
- 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
14
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 27
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
1.2. Nhiệt đối lưu
- 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…?
CmWqp
n
°=
27,013,0
/,14,3
α
Với các chất lỏng không phải là nước
CmWtp

n
°Δ=
233,25,0
/,3,45
α
Hoặc
n
ψαα
=
435,0
22565,0
!
!
"
#
$
$
%
&
'
'
(
)
*
*
+
,
'
'
(

)
*
*
+
,
'
'
(
)
*
*
+
,
'
'
(
)
*
*
+
,
=
n
dd
n
dd
n
dd
n
dd

C
C
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
ψ
Với
QTTB II 01 TS. Nguyễn Minh Tân 28
1.2.4. CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT
Cấp nhiệt khi chất lỏng sôi
1.2. Nhiệt đối lưu
2
/, mWtq Δ=
α
-  Đặc tính và cường độ quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ giữa bề
mặt đun nóng và chất lỏng sôi
- 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…?
CmWqp
n
°=
27,013,0
/,14,3
α

Hoặc
CmWtp
n
°Δ=
233,25,0
/,3,45
α