Chuong 5 doi luu tu nhien

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG 5
TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN

1. Khái niệm chung
2. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng
3. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp

1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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,

–

tỏa nhiệt của cơ thể con người…
2

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Cơ chế chuyển động trong quá trình
Dòng
khí ấm

Dòng
khí lạnh

Vật thể nóng

•

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

•

∆ρ là do ∆t = tw - tf
3

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Hệ số toả nhiệt

(

q
, W / m2K
α=
tw − tf

)

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

α = f (t w , t f , ω, λ, ρ, µ, C p , φ, δ,...)

ω
λ
µ
φ
δ

Tốc độ chuyển động của lưu chất, m/s
Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, W/mK
Hệ số nhớt động lực học, N.s/m2
Hình dáng hình học
Kích thước tính toaùn, m

………..
4
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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

5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2. Toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng:
Khảo sát vách phẳng nóng được làm nguội
bằng cách nhúng vào trong bể chứa lưu chất
lỏng yên lặng

tw
Biên dạng
nhiệt độ
to
Biên dạng
vận tốc

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

Lớp biên

tw

6
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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:

gβl3∆t
Gr ≡
ν2
Với

g: là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2
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, m2/s
7

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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 109.
dòng lưu chất chảy rối khi số Gr lớn hơn giá trị tới hạn 109.

Qua phân tích các dữ liệu thực nghiệm
Tương quan thực nghiệm cho số hạng Nu trung bình trong toả
nhiệt đối lưu

αl
n
Nu =
= C(Gr. Pr ) = C.Ra n
λ
8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Nu = C(Gr. Pr ) = C.Ra n
n

αl
Nu =
λ

gβl3 ∆t
Gr =

ν2

Giá trị nhiệt độ trung bình tính toán:

ν
Pr =
a

t tb = 12 ⋅ (t w + t f )

(từ ttb tra các thông số vật lý λ, ν, Pr)
Lưu chất lỏng giọt: β tra bảng
Lưu chất khí (hơi): β = 1/ T = 1/ (ttb + 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 ngaén
9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng
Trạng thái chuyển động

Ra

C

n

Chảy màng

< 0,001

0,5

0

Chảy quá độ
(từ màng sang tầng)

0,001 ÷ 500

1,18

1/8

Chảy tầng

500 ÷ 2.107

0,54

1/4

Chảy rối

2.107 ÷ 1013

0,135

1/3

10
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Trường hợp đặc biệt: Đối với tấm phẳng đặt nằm ngang
Từ thực nghiệm xác định hệ số C và n theo bảng
C
Ra = Gr.Pr

n

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

< 0,001

0,65

0,35

0

0,001 ÷ 500

1,53

0,83

1/8

500 ÷ 2.107

0,7

0,38

1/4

2.107 ÷ 1013

0,176

0,095

1/3

11
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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?

12
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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.
13
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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

14
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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)

Q conv

T1 − T2
= λ tđ ⋅ F ⋅
δ

Hệ số dẫn nhiệt tương đương: λtñ

λ tđ = ε tđ .λ

15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Xác định εtđ:
•

Kích thước các định: l = δ

•

Nhiệt độ tính toán:

t = 0,5(tw1 + tw2)

•

Tính số Gr:

gβl3 ( t w1 − t w 2 )
Gr =
ν2

Theo số liệu thực nghiệm:
Gr.Pr < 103

εtđ = 1

Gr.Pr ≥ 103

εtñ = 0,18(Gr.Pr)0,25

λ tđ = ε tđ .λ

Q conv

t w1 − t w 2
= λ tđ ⋅ F ⋅
δ
16

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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.

17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tài liệu tham khảo:
1. Hoàng Đình Tín, truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi
nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001

2. Nguyễn Toàn Phong, Bài Giảng môn học truyền nhiệt, Trường
Đại học Bách Khoa TpHCM
3. J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill.

18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

HẾT CHƯƠNG 5

19
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân