Chương 4: Trao đổi nhiệt đối lưu trong môi trường 1 pha docx

Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.1
p.1
4.1 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG CỦA TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH
4.2 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên
4.3 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức
NHẮC LẠI
NHẮC LẠI
:
:
Để tính trao đổi nhiệt đối lưu
Để tính trao đổi nhiệt đối lưu
Æ
Æ
th
th
ườ
ườ
ng d
ng d
ù
ù
ng c
ng c
ô
ô
ng th
ng th

ứ
ứ
c
c
Newton
Newton
:
:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.2
p.2
THỰC NGHIỆM
Q
F
T
w
T
f
(
)
fw
TTFQ
−
=
α
(W)
hay
α

/1
T
q
Δ
=
(W/m
2
)
trong đó:
- α là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m
2
.K)
-Flà diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m
2
)
- T
w
là nhiệt độ trung bình của bề mặt ( K hoặc
o
C)
- T
f
là nhiệt độ trung bình của chất lỏng ( K hoặc
o
C)
Hệ số tỏa nhiệt α phụ thuộc rất nhiều yếu tố
(
)
K
321pfw

l,l,l ,,,,c,,,
t
,
t
f
Φ
μ
ρ
λ
ω
=α
Phương pháp giải tích gặp rất nhiều khó khăn
α được xác định từ thực nghiệm bằng phương pháp
CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỒNG DẠNG
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.3
p.3
4.1 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG của TĐN ĐỐI LƯU
ỔN ĐỊNH Ỉ Pt tiêu chuẩn: Nu = f(Re, Gr, Pr)
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.4
p.4
 TC Nusselt: biểu thò cường độ tỏa nhiệt:
λ
α
=

l
Nu
ý nghóa VL: Nu = Q tỏa nhiệt đối lưu / Q dẫn nhiệt.
Nu là TC chưa xác đònh (chứa α).
 TC Reynolds:
ν
ω
=
l
Re
là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt.
=> Đặc trưng cho TN đối lưu cưỡng bức
 TC Grashof:
t
gl
Gr
2
3
Δ
ν
β
=
 TC Prandtl:
a
Pr
ν
=
Biểu thò ảnh hưởng của các thơng số
vậtlýcủa chất lỏng đối với TĐN
=> Đặc trưng cho TN đối lưu tự nhiên

α
¾ Ý nghĩa các thông số:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.5
p.5
ν
ω
=
l
Re
t
gl
Gr
2
3
Δ
ν
β
=
a
Pr
ν
=
(
)
Pr,Re,GrfNu
=
α

l: Kích thước xác định (m)
trong đó:
ω: tốc độ trung bình của dòng chất lỏng (m/s)
λ: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (W/m.độ)
ν: độ nhớt động học (m
2
/s)
a: hệ số khuyếch tán nhiệt của chất lỏng (m
2
/s)
g: gia tốc trọng trường (m/s
2
)
β: hệ số giãn nở nhiệt (1/K)
Tra bảng
theo nhiệt
độ xác định
Đối với chất khí: β = 1/T
Đối với chất lỏng: TRA BẢNG
Sơ đồ tính toán cho bài toán TĐN Đối lưu
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.6
p.6
2/ Tính:
ν
ω
=
l

Re
t
gl
Gr
2
3
Δ
ν
β
=
(
)
Pr,Re,GrfNu
=
3/ Suy ra:
l
Nu
λ
α
=
1/ Xác định:
Nhiệt độ xác định (
o
C) Kích thước xác định l (m)
Tra bảng
λ, a, ν, β, Pr
Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/T
4.2 Ta nhit i lu T NHIấN
A) TNL tửù nhieõn trong khoõng gian voõ haùn
B) TNL tửù nhieõn trong khoõng gian hửừu haùn

Ngi son: TS. H anh Tựng
HBK tp HCM
8/2009
p.7
p.7
V
V
í
í
d
d
ụ
ụ
v
v
ề
ề
T
T
Đ
Đ
N
N
Đố
Đố
i l
i l
ư
ư
u t

u t
ự
ự
nhi
nhi
ê
ê
n
n
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.8
p.8
VD về TĐN đối lưutự nhiên: TỔN THẤT NHIỆT TỪ MÁY/THIẾT BỊ RA
MÔI TRƯỜNG
* Thất thoát nhiệt từ vách buồng sấy, lò nung , lò hơi, buồng hấp-khử trùng,
buồng khử ứng suất,…
* Tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn hơi, khí nóng, …
* Làm mát “dàn nóng” tủ lạnh gia đình
* Nhiệt toả ra từ máy móc cơ khí: máy đùn nhựa,…
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.10
p.10
 CĐ của chất lỏng dọc bề mặt (BM) làdo sựtồntạiΔt.
 Nhiệt độ chỉ thay đổi trong lớp mỏng (lớp biên) sát BM TĐN.
 Trường tốc độ trong lớp biên thay đổi lớn, tại BM w = 0.

 Khi TĐN mãnh liệt, biến thiên t
o
lớn thì chất lỏng CĐ càng mạnh.
 Hai chế độ CĐ cơ bản: chảy tầng và chảy rối.
ĐẶC TRƯNG của ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.11
p.11
A) TNĐL tự nhiên trong không gian vô hạn
¾ Sử dụng PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN:
(
)
n
m
m
Pr.GrCNu =
l
Nu
m
λ
α
=
2/ Nhiệt độ XÑ:
()
wfm
tt
2
1

t +=
Tra bảng
λ, a, ν, β, Pr
Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/T
m
t
gl
Gr
2
3
Δ
ν
β
=
3/Tính
4/ Tra 2 hệ số C, n từ bảng
1/ KTXÑ: oáng ngang laáy l =
d
; vaùch ñöùng và oáng ñöùng thì l =
chieàu cao;
¾ Trình tự tính toán:
còn tấm ngang thì l lấy bằng chiều hẹp của tấm
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.12
p.12
 Tra 2 hệ số C, n từ bảng
Trạng thái chuyển động (Gr.Pr)
m

Cn
Chảy màng
< 10
-3
0,5 0
Quá độ từ chảy màng sang chảy tầng
1. 10
-3
÷ 5. 10
2
1,18 1/8
Chảy tầng
5. 10
2
÷ 2. 10
7
0,54 1/4
Chảy rối
2. 10
7
÷ 1. 10
13
0,135 1/3
Riêng trường hợp đối với tấm phẳng đặt nằm ngang:
(Gr.Pr)
m
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.13

p.13
B) TNĐL tự nhiên trong khơng gian hữu hạn
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.14
p.14
Để đơn giản, xem QT TĐN này cơ bản là do
dẫnnhiệt, với “hệ số dẫn nhiệt tương đương” λ
tđ
.
()
2w1w
tđ
ttq −
δ
λ
=
(W/m
2
)
Tính tốn hệ số dẫnnhiệttương đương:
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.15
p.15
tdtd
ε
λ

λ
.
=
-KTXĐ: lấy theo chiều dày khe δ
- NĐXĐ: lấy theo nhiệt độ trung bình chất lỏng t
f
= 0,5(t
w1
+ t
w2
).
Tra bảng
λ, a, ν, β, Pr
Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/T
m
()
21
2
3
wwf
tt
g
Gr −=
ν
δβ
- Tính
Khi thì ε
tđ
= 1 và λ
tđ

= λ (DN đơn thuần)
()
3
10Pr ≥⋅
f
Gr
(
)
25,0
f
tđ
PrGr18,0 ⋅=ε
- Tính ε
tđ
()
3
10Pr <⋅
f
Gr
4.3 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.16
p.16
A. Chất lỏng chuyển động
trong ống, rãnh
A.1 Toả nhiệt khi chảy rối
A.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy tầng
A.3 Toả nhiệt ở trạng thái quá độ

Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.17
p.17
(
)
PrRe,,GrfNu
=
α
 Các CT thực nghiệm được chia theo 3 vùng CĐ:
chảy tầng, chảy rối, g/đoạn quá độ.
NĐXĐ: nhiệt độ chất lỏng t
f
KTXĐ: d trong, hoặc Þ tương đương
U
F4
d
tđ
=
F − diện tích tiết diện ngang dòng chảy, m
2
.
U − chu vi ướt, m.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.18
p.18
d

tđ
= d
1
–d
2
Rl
w
f
fff
Nu
εε
25,0
43,080,0
Pr
Pr
PrRe021,0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
Không khí có Pr ≈ const do đó: Nu
f
= 0,018Re
f
0,80

Chú ý:
 Một số tài liệu thường đưa ra những CT đơn giản để tính trực tiếp α . Đó
là cách biểu diễn khác rút ra từ PTTC, không mâu thuẫn với những CT trên.
 Có một số CT thực nghiệm khác nhau, nhưng không thể nói CT nào ưu
hơn.
Chế độ chảy rối: khi Re > 10
4
Xáo trộn rất mạnh; ảnh hưởng của ĐL tự nhiên có thể bỏ qua.
PTTC tổng quát:
)
chỉ
việt
ν
ω
=
l
Re
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.19
p.19
A1. Tỏa nhiệt khi chảy rối
1. ε
l
- ảnh hưởng của đoạn đầu ống. Khi l/d > 50 thì ε
l
= 1.
Khi l/d < 50 Ỉ BẢNG : Trò số ε
l

khi chảy rối
l/d
Re
f
1 2 5 101520304050
1⋅10
4
1,65 1,50 1,34 1,23 01,17 01,13 01,07 01,03 01
2⋅10
4
1,51 1,40 1,27 1,18 01,13 01,10 01,05 01,02 01
5⋅10
4
1,34 1,27 1,18 01,13 01,10 01,08 01,04 01,02 01
1⋅10
5
1,28 1,22 1,15 01,10 01,08 01,06 01,03 01,02 01
1⋅10
6
1,14 1,11 1,08 01,05 01,04 01,03 01,02 01,01 01
2. ε
R
- ảnh hưởng của ống cong: lực ly tâm khiến chất lỏng bò
nhiễu loạn hơn, làm tăng α.
R
d
77,11
R
+=ε
R : bán kính cong của ống xoắn.

p.20
p.20
8/2009
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.21
p.21
A2. Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy tầng
Chảy tầng: Re < 2200. Ảnh hưởng của ĐLTN không thể bỏ qua.
l
w
f
ffff
GrNu
ε
25,0
1,043,033,0
Pr
Pr
PrRe15,0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

-Nếu(l/d)< 50 phải nhân thêm hệ số ε
l
.
BẢNG : Trò số ε
l
khi chảy tầng
l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 50
ε
l
1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1
-Nếu(l/d)> 50 Ỉ ε
l
= 1.
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.22
p.22
A3. Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy q độ
Re
f
.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
K
o
2,7 3,3 4,1 7,0 9,0 10,3 15,5 19,5 23 27 30 33
BẢNG : Trò số K
o
= f(Re

f
)
-Nếu(l/d)> 50 Ỉ ε
l
= 1.
-Nếu(l/d)< 50 phải nhân thêm hệ số ε
l
tra từ bảng trạng thái
chảy tầng
Re = 2200 ~ 10000
l
25,0
w
f
43,0
fof
Pr
Pr
PrKNu ε⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
B. CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG NGOÀI VẬT
Người soạn: TS. Hà anh Tùng

ĐHBK tp HCM
8/2009
p.23
p.23
B.1 Chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳng
B.2 Chất lỏng chuyển động ngang qua ống đơn
B.3 Chất lỏng chuyển động ngang qua cụm ống
B1. Chất lỏng chuyển động ngang qua tấm phẳng
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.24
p.24
* KTXĐ: l = chiều dài tấm (m)
* NĐXĐ
: chọn bằng nhiệt độ chất lỏng (t
f
)
5
f
10Re >
25,0
w
f
43,0
f
8,0
ff
Pr
Pr

PrRe037,0Nu
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
5
f
10Re <
25,0
w
f
43,0
f
50,0
ff
Pr
Pr
PrRe68,0Nu
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
=
+ Riêng đối với không khí Æ pt có dạng đơn giản hơn:
5
f
10Re >
8,0
Re032,0
ff
Nu =
5
f
10Re <
5,0
Re066,0
ff
Nu =
B2. Chất lỏng chuyển động ngang qua ống đơn
Người soạn: TS. Hà anh Tùng
ĐHBK tp HCM
8/2009
p.25
p.25
* KTXĐ: đường kính ngoài ống (d)
* NĐXĐ: nhiệt độ chất lỏng (t
f
)
• Re
f
= 10 ~ 10

3
:
25,0
36,05,0
Pr
Pr
PrRe56,0
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
w
f
fff
Nu
• Re
f
= 1000 ~ 2.10
5
25,0
36,06,0
Pr
Pr
PrRe28,0
⎟

⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
w
f
fff
Nu
+ Riêng đối với không khí Æ pt có dạng đơn giản hơn:
• Re
f
= 10 ~ 10
3
5,0
Re49,0
ff
Nu =
• Re
f
= 10
3
~ 2.10
5
6,0
Re245,0
ff

Nu =