Bài giảng Truyền nhiệt VP - Bài 2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu - TS. Hà Anh Tùng (ĐH Bách khoa TP.HCM)

III. Trao đổi nhiệt bằng ĐỐI LƯU
p.1
p.1
1 Khái niệm chung về TĐN Đối lưu
2
CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG CỦA TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH
3 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên
4 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức
3.1 Khái niệm chung về TĐN Đối lưu
p
p.2
p.2
ĐN: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa một bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi
trường chất lỏng (khí) có nhiệt độ khác nhau Æ có sự chuyển động của chất lỏng
Ví dụ:
Một số ví dụ về trao đổi nhiệt đối lưu
Một số ví dụ về trao đổi nhiệt đối lưu
p.3
p.3
Cơ chế đối lưu tự nhiên của nước trong ống
p.4
p.4
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
:
:
p.5
p.5
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 Φμρλω=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
p.6
p.6
3.2 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG của TĐN ĐỐI LƯU
ỔN ĐỊNH Ỉ Pt tiêu chuẩn: Nu = f(Re, Gr, Pr)
p.7
p.7
 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:
p.8
p.8
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
p.9
p.9
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
3.3 Ta nhit i lu T NHIấN
p.10
p.10
A) TNL tửù nhieõn trong khoõng gian voõ haùn
B) TNL tửù nhieõn trong khoõng gian hửừu haùn
A) TNĐL tự nhiên trong không gian vô hạn
p.11
p.11
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
 Tra 2 hệ số C, n từ bảng
p.12
p.12
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
B) TNĐL tự nhiên trong khơng gian hữu hạn
p.13
p.13
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:
p.14
p.14
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
3.4 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC
p.15
p.15
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
p.16
p.16
 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.
p.17
p.17
A.1 TỎA NHIỆT KHI CHẢY RỐI
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
p.18
p.18
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.19
p.19
8/2009
A.2 TỎA NHIỆT KHI CHẤT LỎNG CHẢY TẦNG
Chảy tầng: Re < 2200. Ảnh hưởng của ĐLTN không thể bỏ qua.
25,0
w
f
1,0
f
43,0
f
33,0
ff
Pr
Pr
GrPrRe15,0Nu
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

Nếu (l/d)< 50 phải nhân thêm hệ số ε
l
.
BẢNG : Trò số ε
l
khi chảy tầng
l/d125101520304050
ε
l
1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1
Re = 2200 ~ 10000
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
)
A.3 TỎA NHIỆT Ở TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ
l
25,0
w
f
43,0

fof
Pr
Pr
PrKNu ε⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
p.20
p.20