TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
CHƯƠNG 6
TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU CƯƠNG
CƯỢNG BƯC
BỨC
(Dòng một pha)
1 Khái niệm chung
1.
2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống
3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên ngoài ống
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
1. Khái niệm
ệ chungg
+ Löu chấ
chatt chuyen
chuyển động tac
tác động cua
của ngoai
ngoại lưc
lực (bơm
(bơm, quat
quạt, má
may
y né
nen…)
n )
2
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Lớp biên vận tốc:
Xét dòng lưu chất chảy qua bề mặt tấm phẳng
Lớp biên
chảy tầ
chay
tang
ng
Vùng
chuyển
chuyen
đổi
Lớp biên
chảy roi
chay
rối
V1
V1
V1
Lớp rối
Lớp đệm
Lớp tầng
Bề dày lớp biên v
Xét dòng lưu chất chảy bên trong ống
Lớp biên vận tốc
Vùøng thủ
h ûy độ
đ ng vàøo
Phân bố vận tốc
Vung
Vù
ng thủ
thuy
y động
đã phát trieån
3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Lớp biên nhiệt:
Xét dòng lưu chất chảy qua bề mặt tấm phẳng
T1
Dòng tự do
T1
T1
Lớp biên
nhiệt
t
Ts+0,99(T1-Ts)
Xét dòng lưu chất chảy bên trong ống
Lớp biê
Lơp
bien
n nhiệt
Vùng nhiệt động vào
Ph ân bố
Phâ
b á nhiệ
hi ät
Vùng nhiệt động
đã phá
đ
h ùt trieå
i ån
4
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống
Chế độ dòng chảy của lưu chất chảy trong ống được thể hiện
qua tiê
tieu
u chuan
chuẩn Reynolds:
Chế độ chuyển động
Re
Chảy tầng
Re < 2200
Chảy quá độ
(từ tầng sang rối)
2200 < Re < 104
Chảy rối
Re > 104
Tuỳ theo chế độ chuyển động của dòng lưu chất mà cường độ
trao đổi nhiệt đối lưu khác nhau
5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Lưu lượ
lương
ng khoi
khối lượ
lương:
ng: dong
dòng lưu chat
chất chay
chảy trong ong
ống đượ
đươcc xac
xác
định theo giá trị tb:
G tb Fc
Kg/s
• Số Reynolds:
Re
.L
• Kích thướ
thươcc xac
xác định:
4Fc
L d tđ
U
: Khối lượng riêng dòng lưu chất
Fc: Diệän tích mặët cắt ngang
g g ống
U: Chu vi ướt.
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Từ lý thuyết đồng dạng kết hợp với thực nghiệm trong điều
kiện trao đoi
đổi nhiệt on
ổn định ta tìm đượ
đươcc phương trình:
Nu = f(Re, Gr, Pr)
Xác định phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) cho các trường hợp:
- Lưu chất chảy rối
- Lưu chất chảy tầng
- Lưu chất chảy quá độ (từ chảy tầng chuyển sang chảy rối)
7
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2.1 Chế độ chảy rối:
Khi Re > 104
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
Nu f 0,021 Re
0 ,8
f
0 , 43
f
Pr
Prf
Prw
0 , 25
l R
ĐỐÁI VỚÙI KHÔÂNG KHÍ:
Í Do Pr ít thay đổi theo nhiệt độ:
Nu f 0,018 Re 0f ,8
8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Nhiệt độ xá
xacc định
+ tf: là nhiệt độ trung bình của lưu chất
- tff’ : nhiệt độ ngõ vào của lưu chất
- tf’’: nhiệt độ ngõ ra của lưu chất
f
tf
Prf
f
1
t f t f ' t f ''
2
+ tw: nhiệt độ bề mặt vách
tw
Prw
• Kích thước xác định
+ Ong
Ố tròøn: L = dtr
+ Hình dạng khác: L d tđ 4Fc
U
9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Hệ so
số xet
xét đen
đến anh
ảnh hương
hưởng cua
của phương hương
hướng dong
dòng nhiệt. Prf
Pr
w
tf
q
tf
tw
tw > tf
q
0, 25
tw
tw < tf
• Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của chiều dài ống: l
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
1.104
1
1,65
2
1.50
5
1,34
10
1,23
l/d
15
1,17
2.104
1,51
1,40
1,27
1,18
1,13
1,10
1,05
1,02
1
55.10
104
1 34
1,34
1 27
1,27
1 18
1,18
1 13
1,13
1 10
1,10
1 08
1,08
1 04
1,04
1 02
1,02
1
1.105
1,28
1,22
1,15
1,10
1,08
1,06
1,03
1,02
1
1.106
1,14
1,11
1,08
1,05
1,04
1,03
1,02
1,01
1
Ref
Neáu l/d > 50: thì l = 1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
20
1,13
30
1,07
40
1.03
50
1
10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Hệ so
số hiệu chỉnh xet
xét đen
đến anh
ảnh hương
hưởng độ cong cua
của ong:
ống: R
(do ảnh hưởng của lực ly tâm)
d
R 1 1,77
d
R
R
Đối với ống dẫn thẳng: R = 1
Lư y:ù phương
Lưu
hươ trình
t ì h bieu
bi å diem
di ã quan heä
h ä Nu
N f đượ
đươ c sư
ử dụ
d ng cho
h mọi
dòng lưu chất lỏng, trừ kim loại lỏng
11
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2.2. Chế độ chảy tầng: Re < 2200
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
0 , 33
0 , 43
0 ,1 Prf
Nu f 0,15 Re f Prf Grf
Prw
0 , 25
l
ĐỐI VƠI
ĐOI
VỚI KHONG
KHÔNG KHÍ: Do Pr ít thay đoi
đổi theo nhiệt độ:
Nu f 0,13 Re 0f ,33 Grf0,1
12
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
• Số Grashof Gr:
gL3 (t w t f )
Gr
2f
- g laø
l ø gia
i tốác trọng trườøng, g = 9,81m/s
9 81 / 2
- [1/K] là hệ số giản nở nhiệt
Chất lỏng
g: tra bảng theo tf
Chất khí: 1
Tf
1
t f 273
• Hệ sốá hiệ
hi u chỉnh
hỉ h xét đế
đ án ảûnh hưở
h ûng củûa chiề
hi àu dà
d i ốáng: l
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
l/d
l
1
2
5
10
15
20
30
40
1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02
50
1
Nếu l/d > 50: thì l = 1
13
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
2200 < Re < 104
2.3. Chế độ chảy q độ:
Phương trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:
0 , 43
f
Nu f K o Pr
Prf
Prw
0 , 25
Ko: Heä số thực nghiệm, tra theo bảng
Ref.10-3 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10
Ko
1,9 3,2 4,0 6,8 9,5 11
16
19
24
27
30
33
• Hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của chiều dài ống: l
Nếu l/d 50: thì l tra bảng theo giá trị Re
l/d
l
1
2
5
10
15
20
30
40
1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02
Nếu l/d > 50: thì l = 1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
50
1
14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Bài tập ví dụ 1:
Một ống thép dài l = 2,5m, đường kính trong d = 19mm,
g bình tf = 30oC,, vậän tốc nước chảy
nước có nhiệät độä trung
trong ống = 2m/s, nhiệt độ bề mặt vách ống tw= 70oC.
a) Xac
Xác định hệ so
số toa
toả nhiệt
b) Tìm nhiệt độ nước vào và ra khỏi ống
c) Nếáu bỏû qua ảûnh hưởûng củûa phương hướng dòng nhiệt thì
sai số khi tính là bao nhiêu?
15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Bài tập ví dụ 2:
Không khí chuyển động trong ống có áp suất p1 = 1bar,
g ống d = 50mm,, chiều dài ống l = 3m,, tốc độä
đường kính trong
dòng khí = 15m/s, nhiệt độ trung bình dòng khí tf = 20oC
- Xac
Xác định hệ so
số toa
toả nhiệt
16
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên
ngoài vật thể
Lớp biên
chảy tầng
Vùng
chuyển
đổi
đoi
Lớp biên
chảy rối
V1
V1
V1
Lớp rối
Lớp đệm
Lớp tầng
Bề dày lớp biên v
V1
Đường tâm
Điểm ứ đọng
D
Lớp bien
Lơp
biên
Điểm tá
Điem
tach
ch
+
Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳng
+
Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống đơn
+
Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống
17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3.1
Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳng:
T1
V1
Chảy tầng
0
Vùng
chuyển
đổi
Chảy rối
x
• Kích thước xác định: L = l (chiều dài tấm)
• Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf
18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Trường hơp
Trương
hợp tổ
tong
ng quá
quatt
Khi Ref >
Khi Ref <
105
Nu f 0,037 Re
105
Nu f 0,68 Re
0 ,8
f
0,5
f
0 , 43
f
Pr
0 , 43
f
Pr
Prf
Pw
Pr
Prf
Prw
0 , 25
0 , 25
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
Khi Ref > 105
Nu f 0,032 Re0f,8
Khi Ref < 105
Nu f 0,59 Re f0,55
19
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
3.2
Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống đơn:
Lớp biên rối
Lớp biên tầng
Lớp biên tầng
Lớp biên rối
V1
V1
D
Điểm tách
(a) Dòng chảy tầng Re < 2.105
D
Điểåm tách
(b) Dòng chảy rối Re > 2.105
Quá trình toả nhiệt khi chất lỏng chảy ngang qua các ống có hình dạng
bất kỳ rất phức tạp cần tiến hành thí nghiệm riêng.
Phần này chỉ khảo sát ống tròn.
20
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân