Chương 2 : TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG ĐỐI LƯU pptx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
NG
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG
NG

CHƯƠNG II
TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG ĐỐI LƯU

1


NỘI DUNG




Đối lưu nhiệt là gì?
Điều kiện xảy ra ĐLN?
Tính tóan ĐLN

2


ĐỐI LƯU NHIỆT
I. ĐỐI LƯU

Trong thí nghiệm về sự dẫn nhiệt của nước, nếu ta không
gắn miếng sáp ở đáy ống nghiệm mà để miếng sáp ở miệng
ống nghiệm và đun nóng ở đáy ống nghiệm, thì chỉ trong
một thời gian ngắn sáp đã nóng chảy. Trong trường hợp này
nước đã truyền nhiệt bằng cách nào?

3


ĐỐI LƯU NHIỆT
I. ĐỐI LƯU
1. Thí nghiệm
Đặt một gói nhỏ đựng các hạt thuốc tím vào đáy của một cốc thuỷ tinh đựng
nước rồi dùng đèn cồn đun nóng cốc nước ở phía có đặt thuốc tím.

Quan sát hiện tượng xảy ra.
4


ĐỐI LƯU NHIỆT
I. ĐỐI LƯU
1.Thí nghiệm
2.Trả lời câu hỏi
C1 Nước màu tím di chuyển thành dịng từ dưới lên rồi từ trên xuống hay
di chuyển hổn độn theo mọi phương?
Nước màu tím di chuyển thành dịng từ dưới lê rồi từ trên xuống.
C2 Tại sao lớp nước ở dưới được đun nóng lại đi lên phía trên, cịn lớp
nước lạnh ở phía trên lại đi xuống dưới?
Lớp nước ở dưới nóng lên trước, nở ra, trọng lượng riêng của nó
giảm nên nhỏ hơn trọng lượng riêng của lớp nước lạnh phía trên. Do
đó lớp nước nóng nỗi lên cịn lớp nước lạnh chìm xuống dưới.
C3 Tại sao biết được nước trong cốc đã nóng lên.
Nhờ nhiệt kế mà ta biết được nước trong cốc đã nóng lên.

5

ĐỐI LƯU NHIỆT
I. ĐỐI LƯU
1.Thí nghiệm
2.Trả lời câu hỏi
Sự trao đổi nhiệt do sự tạo thành các dịng mơi chất gọi là đối lưu
nhiệt. Sự đối lưu xảy ra trong chất lỏng và khí.
3.Vận dụng
C4 Trong thí nghiệm hình 23.3, khi đốt nến
và hương ta thấy dịng khói hương đi từ trên
xuống vịng qua khe hở giữa miếng bìa ngăn
và đáy cốc rồi đi lên phía ngọn nến.
Hãy giải thích hiện tượng trên.
Phần khơng khí bên ngọn nến nóng lên, nở ra, trọng lượng riêng
giảm nên nên bay lên phía trên. Do đó khơng khí bên ngọn nến ít đi
và hút khơng khí lạnh bên khói hương sang, làm cho khói hương đi
theo xuống dưới và hồ cùng khơng khí nóng bay lên.
6


ĐỐI LƯU NHIỆT
I. ĐỐI LƯU

3.Vận dụng
C5 Tại sao muốn đun chất lỏng và chất khí phải đun từ phía dưới?
Để phần phía dưới nóng lên trước, đi lên tạo ra dịng đối lưu và
phần trên đi xuống dưới thì chất được đun nóng mới đều.
C6 Trong chân khơng và trong chất rắn có xảy ra đối lưu khơng? Tại sao?
Trong chân không và trong chất rắn không xảy ra hiện tượng đối

lưu. Vì trong chân khơng cũng như trong chất rắn khơng thể tạo ra
các dịng đối lưu.

7


Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự
chuyển động của khí quyển

8


Hình ảnh đối lưu nhiệt
HƠI RA

ỐNG NƯỚC XUỐNG

ỐNG N

ƯỚC XUỐNG

Sự ln chuyển của
nước trong nồi hơi

ỐNG NƯỚC LÊN

NƯỚC CẤP

9

PHÂN LOẠI ĐỐI LƯU NHIỆT
 ĐỐI LƯU NHIỆT TỰ NHIÊN
– Trong không gian vô hạn
– Trong không gian hưũ hạn

 ĐỐI LƯU NHIỆT CƯỠNG BỨC
– Trong ống
– Ngoài ống

10


• Định luật cấp nhiệt
của Newton

dQ    dF  t

11


TĐN ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN TRONG
KHÔNG GIAN VÔ HẠN

12


TĐN ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN TRONG
KHÔNG GIAN VÔ HẠN

13


Đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn

14


Đối lưu cưỡng bức trong ống

15


TỔNG QUAN VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU
ĐL cấp nhiệt của Newton:

dQ    dF  t

Q = .F.(tw – tf) [w]
1. Nguyên nhân gây ra chuyển động
Chuyển động đối lưu tự nhiên
Chuyển động đối lưu cưỡng bức
2. Chế độ chuyển động của chất lỏng
a)

Re <2200

b)

2200 < Re <104

c)

Re > 104
16


3. Tính chất vật lý của chất lỏng
=f(,,,,,cp, tf, tw, l)
Nhiệt dung riêng: cp [kj/kg. độ]
Hệ số dẫn nhiệt:  [w/m. độ]
Độ nhớt động học:  [m2/s]
Khối lượng riêng:  [kg/m3]
Hệ số dẫn nhiệt độ: a = /c [m2/s]
Nhiệt độ chất lỏng tf và nhiệt độ bề mặt vách tw (oC);
Tốc độ của môi chất trong chất lỏng: w (m/s).

17


CÁC CHUẨN SỐ CƠ BẢN
• Nusselt (Nu)

Nu 

 .l


• Reynold (Re)

Re 

l

cp

• Prandtl (Pr)
• Grashoff (Gr)


Pr 


a
g .l 3
Gr  2  .t


18


 Chế độ chảy Ra=(Gr.Pr)
– Hệ số C
– Số mũ n
– Bề mặt nóng hướng lên trên
ng
ng
– Bề mặt nóng hướng xuống dưới
ng
ng

ng
– Chảy màng
ng
– Chảy quá độ từ chảy màng sang chảy tầng
ng
ng
– Chảy tầng
ng
– Chảy xoáy
19


3. Tính chất vật lý của chất lỏng
=f(,,,,,cp, tf, tw, l)
Nhiệt dung riêng: cp [kj/kg. độ]
Hệ số dẫn nhiệt:  [w/m. độ]
Độ nhớt động học:  [m2/s]
Khối lượng riêng:  [kg/m3]
Hệ số dẫn nhiệt độ: a = /c [m2/s]
Nhiệt độ chất lỏng tf và nhiệt độ bề mặt vách tw.

20


21


II. Các phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu
1.Phương trình vi phân tỏa nhiệt
Theo định luật Fourier nhiệt lượng trao đổi được xác định như sau:

 t 
q   
 n  n 0

Theo định luật Newton nhiệt lượng trao đổi được xác định như sau:

q   t f  t w 
Như vậy:



  t 
 
t f  t w  n  n 0

2. Phương trình vi phân năng lượng

 2t 2t 2t 
t
t
t
t
 x
 y
 z
 a 2  2  2 
 x

x
y

z
y
z 


22


3.Phương trình vi phân chuyển động

D
2 2

 g  p   
d
4.Phương trình vi phân liên tục:






 x  x   y  y  z z  dvd    dvd







III. Các tiêu chuẩn đồng dạng
1.Đồng dạng cơ học chất lỏng

H0 
 idem
Tiêu chuẩn Homochronocity:
l
gl
Fr  2  idem
Tiêu chuẩn Froude:
Tiêu chuẩn Euler:
Tiêu chuẩn Reynolds

Eu 


p

2

 idem


 l l
Re 

 idem



23


2. Đồng dạng nhiệt
a
Fourier:Fo  l2  idem

Tiêu chuần
( tiêu chuẩn xác định trong q trình khơng ổn định)
l
Pe 
 idem
a

Tiêu chuẩn Peclet:

(Tiêu chuẩn đồng dạng nhiệt)
l
 idem
Tiêu chuẩn Nusselt: Nu 

(Tiêu chuẩn biểu thị cường độ tỏa nhiệt)
•Tiêu chuẩn Grashof: Gr 

g tl3
2

 idem

( Tiêu chuẩn đồng dạng trọng lực)

Tiêu chuẩn Prant: Pr 


 idem
a
24


2. Đồng dạng nhiệt

a 
Fo 
•Tiêu chuần Fourier:
l2
( tiêu chuẩn xác định trong q trình TN khơng ổn định)
l
Tiêu chuẩn Reynolds:
Re 

(Tiêu chuẩn xác định chế độ chảy)
Tiêu chuẩn Nusselt:

Nu 

l


(Tiêu chuẩn biểu thị cường độ tỏa nhiệt)

g    t  l 3

•Tiêu chuẩn Grasshof:
Gr 
2
(Tiêu chuẩn đồng dạng trọng lực)
Tiêu chuẩn Prant:


Pr 
a
25