Chuong 1 khai niem chung ve truyen nhiet

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

MÔN HỌC:

TRUYỀN NHIỆT
CBGD: ThS. PHAN THÀNH NHÂN
Bộ mơn: Cơng Nghệ Nhiệt Lạnh
Khoa: Cơ Khí – Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM
1
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

TRUYỀN NHIỆT
2 lớp vữa

tN ,α N

tT ,α T

gạch ống

2
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Sơ lược về mơn học
• Tên môn học: Truyền nhiệt

Mã môn học: 210015
Số tiết: 42 tiết
Số tín chỉ: 2
Hình thức đánh giá:
 Kiểm tra giữa kỳ: 20%
 Bài tập lớn: 30%
 Kiểm tra cuối kỳ: 50%
• Tài liệu tham khảo:
 Hồng Đình Tín, truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, NXB
Khoa học và kỹ thuật, 2001
 Hồng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động lực học kỹ thuật và truyền
nhiệt, NXB…
 J.P.Holman, Heat transfer, ninth edition, Mc Graw Hill
•
•
•
•

3
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

NỘI DUNG MƠN HỌC
• Chương 1: Tổng quan về truyền nhiệt
• Chương 2: Khái niệm cơ bản về dẫn nhiệt và phương trình vi phân dẫn nhiệt của
vật rắn
• Chương 3: Dẫn nhiệt ổn định

• Chương 4: Dẫn nhiệt khơng ổn định (tham khảo)
• Chương 5: Khái niệm cơ bản về trao đổi nhiệt đối lưu
• Chương 6: To ả nhiệt đối lưu tự nhiên
• Chương 7: To ả nhiệt đối lưu cưỡng bức
• Chương 8: Cơ sở lý thuyết về bức xạ
• Chương 9: Trao đổi nhiệt bức xạ giữa các vật rắn đặt trong mơi trường trong suốt
• Chương 10: Thiết bị trao đổi nhiệt
4
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NHIỆT

1. Tổng quan truyền nhiệt
2. Tổng quan Dẫn nhiệt
3. Tổng quan Đối lưu
3. Tổng quan Bức xạ

5
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

1. Tổng quan về truyền nhiệt
 Truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật thể,
các lưu chất khác nhau có nhiệt độ chênh lệch nhau

 Quá trình truyền nhiệt là một quá trình khá phức tạp, nó
diễn ra theo nhiều dạng khác nhau
 Các dạng truyền nhiệt này diễn ra đồng thời, và cùng tác
động đến giá trị nhiệt độ, giá trị dòng nhiệt của vật thể, của
lưu chất và của môi trường khảo sát.
6
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

7
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

8
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt
–

Nhiệt lượng truyền giữa hai vật tiếp xúc trực tiếp với
nhau có chênh lệch nhiệt độ

–

hoặc giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau trong một
vật.

9
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Truyền nhiệt bằng đối lưu
–

Nhiệt lượng trao đổi giữa lưu chất và bề mặt rắn khi có
chênh lệch nhiệt độ.

10
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Truyền nhiệt bằng bức xạ
–

Nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật có nhiệt độ chênh lệch
không tiếp xúc nhau trong môi trường chất khí hoặc
chân không.

11

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2. Tổng quan dẫn nhiệt
 Dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng do sự tương tác,
va chạm của các hạt nguyên tử hay phân tử
 Quá trình truyền nhiệt năng sẽ diễn ra từ nơi có nhiệt độ
cao đến nơi có nhiệt độ thấp.

Q
F

~

∂T
∂x

Q = −λF

∂T
, (W)
∂x

Q : dòng nhiệt truyền qua diện tích F vuông góc với phương truyền (W)

∂T : gradient nhiệt độ theo phương truyền
∂x

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/m độ)

Dấu “ – “ thể hiện dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp.
12

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

q : mật độ doøng nhiệt
Q
∂T
q = = −λ
, (W / m 2 )
F
∂x

2.1 Phaùt biểu định luật Fourier: Mật độ dòng nhiệt truyền
qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ với
diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ
theo phương ấy.
T1
q

T(x)
T2

x
13

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2.2 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu: λ(W/m độ)
 Hệ số dẫn nhiệt của chất khí:
– Giá trị của hệ số dẫn nhiệt cho ta biết tốc độ truyền
nhiệt của một chất khí nào đó nhanh hay chậm.
– Muốn truyền nhiệt nhanh thì các phân tử khí sẽ chuyển
động nhanh và va chạm mạnh với nhau, để xảy ra hiện
tượng đó thì phải gia tăng nhiệt độ của các phân tử khí.
Hệ số dẫn nhiệt của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ.

14
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng:
− Bản chất của hệ số dẫn nhiệt trong chất lỏng gần
giống như trong chất khí.
− tuy nhiên trong chất lỏng thì phức tạp hơn vì các phân
tử chất lỏng ở trong một không gian kín và do các trường
lực phân tử tác động làm ảnh hưởng mạnh đến sự trao đổi
năng lượng trong quá trình va chạm.
− Có thể xem cơ cấu truyền nhiệt trong chất lỏng là sự
truyền năng lượng của dao động đàn hồi hỗn loạn.

15
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Quan hệ giữa hệ số dẫn
nhiệt và nhiệt độ của chất
lỏng và chất khí.

16
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn:
Năng lượng nhiệt truyền qua vật liệu rắn bằng 2 cách:
–

do quá trình chấn động mạng tinh thể

–

do sự truyền dẫn của các e tự do.

Các vật liệu dẫn điện tốt sẽ có tính dẫn nhiệt tốt, như đồng,
bạc, nhôm là các chất dẫn nhiệt tốt.
Ngược lại vật liệu cách điện tốt cũng sẽ cách nhiệt rất tốt.

17
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Mối quan hệ giữa hệ số dẫn
nhiệt và nhiệt độ của một số
vật liệu rắn.

18
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


Bảng tra: Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu ở 0oC:
Vật liệu
Kim loại
Bạc
Đồng
Nhôm
Niken
Sắt
Thép 1%C
Chì
Thép Crôm Niken (18%Cr,8%Ni)
Vật liệu phi kim loại
Thạch anh
MgCO2
Cẩm thạch
Sa thạch

Kính cửa sổ
Gỗ thích, gỗ sồi
Mùn cưa
Bông thủy tinh
Chất lỏng
Thủy ngân
Nước
Ammoniac
Dầu bôi trơn, SAE 50
Freon 12, CCl2F2
Chất khí
Hydro
Heli
Không khí
Hơi nước (bảo hòa)
Cacbonic

W/

Hệ số dẫn nhiệt
Btu/h.ft.oF

m oC

410
385
202
93
73
43

35
16,3

237
223
117
54
42
25
20,3
9,4

41,6
4,15
2,08 – 2,94
1,83
0,78
0,17
0,059
0,038

24
2,4
1,2 – 1,7
1,06
0,45
0,096
0,034
0,022

8,21
0,556
0,54
0,147
0,073

4,74
0,327
0,312
0,085
0,042

0,175
0,141
0,024
0,0206
0,0146

0,101
0,081
0,0139
0,0119
0,00844

19


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

3. Tổng quan đối lưu

doøng chất lỏng

tf
uf
u

q

Vận tốc dòng chảy sẽ giảm dần đến 0 trên bề mặt tấm phẳng,
– Tại bề mặt tấm phẳng: v = 0 thì quá trình truyền nhiệt giữa
tấm phẳng và chất lỏng chỉ còn là quá trình dẫn nhiệt.
– Phía trên bề mặt tấm phẳng: v tăng dần và có sự chênh lệch
nhiệt độ giữa tấm phẳng và dòng chất lỏng đi qua nên sự trao đổi
nhiệt xảy ra là trao đổi nhiệt đối lưu.
20
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Theo định luật Newton: xác định giá trị dòng nhiệt trong quá
trình trao đổi nhiệt đối lưu này như sau:
Q = αF( t w − t f )

Trong đó:

Q – dòng nhiệt, W
F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2

α – hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2oC

tw – nhiệt độ bề mặt tấm phẳng, oC hoặc K
tf – nhiệt độ trung bình của chất lỏng, oC hoặc K
21
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

–

Quá trình đối lưu cưỡng bức:

–

Quá trình đối lưu tự nhiên:

– Các dạng truyền nhiệt ngưng tụ và truyền nhiệt bay hơi
cũng là một quá trình truyền nhiệt đối lưu.
22
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM
Phương thức đối lưu

Hệ số tỏa nhiệt
W/m2oC

Btu/h.ft2.oF

Tấm phẳng đứng 0,3m (1ft) đặt trong không khí

4,5

0,79

Thanh trụ ngang, đk 5cm đặt trong không khí

6,5

1,14

890

157

Một tấm vuông cạnh 0,2m đặt trong dòng khí 2m/s

12

2,1

Một tấm vuông cạnh 0,75m đặt trong dòng khí 35m/s

75

13,2

Dòng khí tại 2atm đi trong ống, đk 2,5cm có vận tốc 10m/s

65

11,4

Nước chảy trong ống, đk 2,5cm với lưu lượng 0,5kg/s

3500

616

Dòng khí thổi ngang qua ống, đk 5cm với vận tốc 50m/s

180

32

2500 – 35.000

440 – 6200

5000 – 100.000

880 – 17.600

Các bề mặt đứng

4000 – 11.300

700 – 2000

Qua dàn ống nằm ngang

9500 – 25.000

1700 – 4400

Đối lưu tự nhiên, ∆t = 30 o C

Thanh trụ ngang, đk 2cm đặt trong môi trường nước
Đối lưu cưỡng bức

Nước bay hơi
Trong bể chứa hoặc trong thùng
Chảy trong ống
Ngưng tụ hơi nước, 1atm

23
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

4. Tổng quan bức xạ
 Với quá trình truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu thì
hai môi trường truyền nhiệt trực tiếp cho nhau,
 còn đối với quá trình truyền nhiệt bằng bức xạ thì quá
trình truyền giữa 2 vật, 2 bề mặt đặt cách xa nhau.
 Nhiệt lượng trao đổi giữa hai vật có nhiệt độ chênh lệch
không tiếp xúc nhau trong môi trường chất khí hoặc chân
không.

24
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Định luật Stefan – Boltzman: về bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối
– Năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối sẽ tỷ lệ thuận với
nhiệt độ tuyệt đối bậc 4 và diện tích bề mặt bức xạ của vật thể
Q bx = σFT 4

σ hằng số tỉ lệ, hằng số Stefan – Boltzman

σ = 5,6697.10 −8 W / m 2 K 4
– Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai bề mặt tỷ lệ với hiệu bậc 4
nhiệt độ tuyệt đối của hai bề mặt bức xạ và diện tích bề mặt
bức xạ
Q = Fσ T14 − T24

(

)

25
Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân