C4 doi luu cuong buc

Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

CHƯƠNG 2: TỎA

NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC
(DÒNG 1 PHA)

§1. KHÁI QUÁT
-

-

-

-

-

-

Theo nguyên nhân chuyển động trong quá trình toả
nhiệt đối lưu chia thành 2 dạng chính: đối lưu cững
bức và đối lưu tự nhiên.
Đối lưu cưỡng bức khi dòng chất lỏng có nhiệt độ
trung bình tf chuyển động qua bề mặt vật rắng có
nhiệt độ trung bình tw với vận tốc  . Vận tốc này
được cung cấp bởi bơm, quạt … VD: …
Khi trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức thì  lớn hơn rất
nhiều so với đối lưu tự nhiên do đó diện tích truyền

nhiệt nhỏ  thiệt bị gọn nhẹ. Tuy nhiên cần tiêu tốn
năng lượng để vận chuyển lưu chất bằng bơm, quạt,
máy nén.
Trong chương này ta chỉ khảo sát dòng lưu chất 1 pha,
tức là không có biến đổi pha (lỏng  hơi, hơi  lỏng …)
trong quá trình trao đổi nhiệt.
Nhiệt lượng truyền trong quá trình toả nhiệt đối lưu
theo công thức Newton: Q =  F(tw – tf)
L
do đó hướng giải

quyết bài toán trao đổi nhiệt đối lưu là từ lý thuyết
đồng dạng kết hợp với thực nghiệm trong điều kiện
trao đổi nhiệt ổn định ta tìm được phương trình
Nu=f(Re, Gr, Pr)

Theo tiểu chuẩn Nusselt Nu 

Sau đây ta xem xét từng trường hợp cụ thể:
§2. CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG (ống bất kỳ)
Tuỳ nheo chế độ dòng chảy mà cường độ trao đổi nhiệt đối
lưu khác nhau, đặc trưng cho chế độ dòng chảy là tiêu chuẩn
L
Renolds: Re 

Re < 2200
2200 Re > 104

chảy tầng

chảy quá độ
chảy rối

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-1-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

Trong thiết bị trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức người ta luôn
sử dụng chế độ chảy rối khi thiết kế để  lớn  làm giảm
diện tích trao đổi nhiệt  thiết bị gọn nhẹ.
Đối với chất lỏng có độ nhớt cao (như dầu máy biến áp, nhớt)
thì vẫn sử dụng chảy tầng để giảm công bơm và áp lực
đường ống.
2.1 CHẤT LỎNG CHẢY RỐI Re > 104

Nu f 0,021 Re

Pr

0 , 43
f

 Prf

 Prw





0 , 25

 L R

Nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của lưu chất tf

t

0 ,8
f

f



f


trab ản g
 
  Prf

Nu.

 f

  

L



f





trabảng
tw  
  Prw

-

Kích thước xác định:


ng tròn: L = dtr



ng hình dạng khác: L d tđ 

4F
U

F là diện tích mặt cắt ướt
U là chu vi ướt

F
U

U

F

b

F

d

U
a
4ab
dtđ = 2(a+b)

-

D

dtđ = D d

0, 25

-

 Pr 
Hệ số  f 
xét đến ảnh hưởng của phương
 Prw 
hướng dòng nhiệt.

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-2-


Bài giảng Truyền nhiệt

tf

q

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

tf

tw

tw > tf

q

tw

tw < tf

Trường hợp tw > tf dòng nhiệt sẽ truyền từ ngoài và trong ống,
chất lỏng gần bề mặt vách có nhiệt độ cao hơn   giảm 
tốc độ tăng, ngược lại: tw < tf dòng nhiệt sẽ truyền từ trong
ồng ra ngoài, chất lỏng gần bề mặt vách có nhiệt độ thấp
hơn   cao  tốc độ giảm. Trong hai trường hợp này tốc độ
phân bố khác nhau, ảnh hưởng đến  mà việc chọn nhiệt
độ tf chưa phản ánh được nên thêm hệ số hiệu chỉnh này.
-

Hệ số  L hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của chiều dài
ống, chọn nhö sau:
L
50   L 1
d
L
L
 50   L f ( ; Re f ) tra bảng
d
d

Re

L
d

L
-

Hệ số  R hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ cong của
ống, do ảnh hưởng của lực ly tâm nên phân bố tốc độ
chất lỏng trong ống cong khác ống thẳng nên  tăng
lên

d

R

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-3-


Bài giảng Truyền nhiệt

 R 1  1,77

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

d
R

R là bán kính cong của ống
R giảm   R tăng 
R



 (ống thẳng)   R

tăng
=1

Phạm vi sử dụng: công thức tính Nuf trên đúng cho mọi chất
lỏng chảy, trừ kim loại lỏng và đúng cho mọi hình dạng ống.
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: Do Pr ít thay đổi theo nhiệt độ (Pr

 Pr 
0,7) nên có thể xem  f 
 Prw 

0 , 25



1

0 ,8
Khi đó Nu f 0,018 Re f
0 , 43
0,018 )
(Gộp 0,021Prf

2.2 CHẤT LỎNG CHẢY TẦNG Re < 2200

Nu f 0,15 Re

0 ,33
f

Pr

0 , 43
f

 Pr
Gr  f
 Prw
0 ,1
f





0 , 25

L

gL3 (t w  t f )
Tiêu chuẩn Grashof Gr 
 2f
g là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
 [1/K] là hệ số giản nở nhiệt

Chất lỏng:  tra bảng theo tf
Chất khí:  

t

f

1
1

Tf t f  273

 f
Pr
f


  
Nu.

 f   
L


 ( chất khí )

trabảng

f





0,1
Hệ số Grf xét đến ảnh hưởng đối lưu tự nhiên

Hệ số  L :
L
50   L 1
d
L
L
 50   L f ( ) tra bảng
d
d

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-4-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

L
d

L
Do chảy tầng, tốc độ thấp nên xem  R = 1
0 ,33
0 ,1
ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: Nu f 0,13 Re f Grf

§3. CHẤT LỎNG CHẢY NGOÀI ỐNG TRÒN (chỉ ống tròn)
Khác với chất lỏng chảy trong ống: hình dạng từng loại ống
có đặc trưng của chuyển động không khác nhau nhiều;
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
nên phần này chỉ khảo sát ống tròn.
3.1 CHẤT LỎNG CHẢY NGANG ỐNG ĐƠN
-

Kích thước xác định: dng

-

Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf

 Prf

 Prw





0 ,6
0 , 36  Pr
Khi Ref > 10 : Nu f 0,28 Re f Prf  f
 Prw






Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re
3

0 ,5
f

Pr

0 , 36
f

3

0 , 25


0 , 25



  : hệ số hiệu chỉnh góc va giữa ống và dòng chất lỏng



Dòng chất lỏng chảy vuông góc với ống:   =1 (
 90 o )



  90 o : tra đồ thị




ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
0 ,5
Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-5-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

0 ,6
Khi Ref > 103 : Nu f 0,245 Re f

3.2 CHẤT LỎNG CHẢY NGANG CHÙM ỐNG
Trong thiết bị trao đổi nhiệt ít khi bố trí từng ống riêng lẽ mà
thường bố trí dạng chùm ốm nhằm tăng diện tích truyền
nhiệt.
Việc bố trí ống trong thiết bị rất đang dạng tuỳ theo yêu cầu
công nghệ, tuy nhiên về nguyên lý có thể quy về 2 dạng bố
trí cơ bản sau:



Bố trì song song:

S1

S2

0

n hàng ống



Bố trí so le

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-6-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

S1

S2

0

n hàng ống
Thông thường trong kỹ thuật thường chọn:
S1, Ss = (1,5 3)dng
Bố trí so le có hiệu quả tryuền nhiệt tốt hơn nhưng tổn thất áp
suất nhiều hơn.
a) Chùm ống song song
Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re
3

0 ,5
f

Pr

0 , 36
f

 Prf

 Prw





0 , 65
0 , 36  Pr
Khi Ref > 10 : Nu f 0,22 Re f Prf  f
 Prw

3

0 , 25






0 , 25



ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:
0 ,5
Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f
0 , 65
Khi Ref > 103 : Nu f 0,149 Re f

b)

Chùm ống so le

Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re
3

0 ,5
f

Pr

0 , 36
f

 Prf

 Prw

0 ,6
0 , 36  Pr
Khi Ref > 10 : Nu f 0,4 Re f Prf  f
 Prw

3









0 , 25



0 , 25



ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ:

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHUÙ

-7-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

0 ,5
Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f
0 ,6
Khi Ref > 103 : Nu f 0,35 Re f

Chú ý: khi sử dụng các công thức trên:
-

-

-

-

Nhiệt độ xác định tf là nhiệt độ trung bình của lưu chất
trước và sau chùm ống.
Kích thước xác định là đường kính ngoài dng của ống

Khi tính Re 

d ng

thì

chổ hẹp nhất (   0 )



là vận tốc dòng chảy qua

  : hệ số hiệu chỉnh góc va giữa ống và dòng chất
lỏng



 90 o    = 1



  90 o : tra đồ thị




-

Các công thức trên dùng để tính  cho hàng ống thứ
3 trở đi (  3 ). Khi dòng chất lỏng đang chuyển động

bên ngoài đến đập và bề mặt chùm ống sẽ gây nên
sự xáo trộn. Do đó các hàng ống đầu tiên sẽ bị ảnh
hưởng bởi sự xáo trộn này và ảnh hưởng đến hệ số
toả nhiệt đối lưu 

Thực nghiệm người ta đã xác định được ở hàng 1 và hàng
2 theo chiều dòng chảy của lưu chất sẽ có hệ số toả nhiệt
đối lưu nhỏ hơn hàng ống thứ 3 trở đi và được hiệu chỉnh
như sau:


Bố trí song song

 1 0,6 3

 2 0,9 3



Bố trí so le

 1 0,6 3

 2 0,7  3

Khi đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình của chùm ống:

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-8-

Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)



Song song  



So le  

1   2  (n  2) 3 (n  0,5) 3

n
n

1   2  (n  2) 3 (n  0,7) 3

n
n

TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN
TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC

ĐỀ BÀI
(trong ống, ngoài ống)
Kích thước xác định

Nhiệt độ xác định tf (tra bảng)
Tính Re
Chọn công thức tính Nuf
 = Nu./L

Q = F(tw - tf )

Các quan hệ khác:
Từ chương trước Nu =CRemPrn
Trong đó C, m, và n là các hằng số.
Khái niệm dịng phát triển hồn tồn (Fully developed flow)

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-9-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

Chảy rối:
Quan hệ của Dittus-Boelter:

Của Sieder-Tate:

Chảy tầng:
Của Hausen:

Của Sieder-Tate:

Chảy ngồi ống đơn:

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-10-


Bài giảng Truyền nhiệt

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

n

Quan hệ của Knudsen-Katz: Nu df

 u d
d

C   Prf1 / 3
f
 f 

Chảy ngoài chùm ống:

u

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-11-

Bài giảng Truyền nhiệt

u max

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

u max u 

Sn
u 
Sn  d

a) Bố trí song song

Sn
 S

2
 S2p  d 
 4

2
n

b) Bố trí so le
n

 u d

d
Nu df 
C max  Prf1 / 3 (chùm ống 10 hàng ống trở lên)
f
 f 

Đối với chùm ống dưới 10 hàng ống, nhân hệ số hiệu chỉnh:

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

-12-


Bài giảng Truyền nhiệt

CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ

CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG 1 PHA)

-13-