Chuong 6 doi luu cuong buc

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:

gL3 (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