Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt cho thiết bị sưởi ấm dịch truyền dùng trong y tế sử dụng phương pháp mô phỏng và so sánh thực nghiệm

Luận văn thạc sĩ

Mục lục
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt .......................................................................5
Danh mục hình bảng biểu ...........................................................................................7
Danh mục hình ảnh .....................................................................................................7
Lý do chọn đề tài .........................................................................................................9
Chương 1- Cơ sở lý thuyết ........................................................................................12
1.1. Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt .....................................................................12
1.1.1. Dẫn nhiệt .................................................................................................12
1.1.2. Đối lưu nhiệt ...........................................................................................15
1.1.3. Bức xạ nhiệt ............................................................................................17
1.2. Động lực học chất lỏng trong ống xoắn lò xo ................................................20
1.2.1. Yếu tố ma sát ...........................................................................................22
1.2.2. Hệ số truyền nhiệt trong ống xoắn lò xo .................................................23
1.2.3. Hệ số truyền nhiệt của thiêt bị sưởi ấm dịch truyền ...............................26
Chương 2 - Một số vấn đề cơ bản về phương pháp tính toán động lực học lưu chấtCFD ...........................................................................................................................29
2.1. Khái niệm về CFD .........................................................................................29
2.2. Phần mềm mô phỏng CFD-ANSYSFLUENT. ..............................................30
2.2.1. Giới thiệu phần mền ANSYSFLUENT ..................................................30
2.2.2. Giới thiệu một số mô hình rối trong ANSYSFLUENT ..........................32
Chương 3 - Qúa trình mô phỏng và thực nghiệm .....................................................40

Vũ Đình Dũng

Page 1


Luận văn thạc sĩ

3.1. Mô tả bài toán .................................................................................................40
3.2. Thiết lập và giải ..............................................................................................41
3.3. Quá trình thực nghiệm ...................................................................................57
3.3.1. Dung dịch thí nghiệm ..............................................................................57
3.3.2. Thiết bị đo ...............................................................................................58
3.3.3. Bộ thông số thí nghiệm ...........................................................................60
3.3.4. Trình tự thí nghiệm .................................................................................60
Chương 4 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬNError! Bookmark not
defined.
4.1. Chiều dài đáp ứng nhiệt độ của thiết bị..........................................................64
4.1.1. Trường hợp nhiệt độ đầu vào 5OC, tốc độ dịch truyền là 80 giọt/ phút với
số vòng cuốn là 3,5,10.......................................................................................64
4.1.2. Trường hợp nhiệt độ đầu vào 10OC, tốc độ dịch truyền là 80 giọt/ phút
với số vòng cuốn là 3,5,10. ............................... Error! Bookmark not defined.
4.1.3. Trường hợp nhiệt độ đầu vào 5OC, tốc độ dịch truyền là 60 giọt/ phút với
số vòng cuốn là 3,5,10....................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.4. Trường hợp nhiệt độ đầu vào 10OC, tốc độ dịch truyền là 60 giọt/ phút
với số vòng cuốn là 3,5,10. ............................... Error! Bookmark not defined.
4.2. Thảo luận chung .............................................................................................71
4.3. KẾT LUẬN ....................................................................................................72

Vũ Đình Dũng

Page 2


Luận văn thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả

nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công
trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin
được đăng tải trên sách, tạp chí và các trang web theo danh mục tại liệu tham khảo
của luận văn.
Tác giả luận văn

Vũ Đình Dũng

Page 3


Luận văn thạc sĩ

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Tiến Đông người đã trực
tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Nhờ có hướng dẫn tận tình, vạch hướng
đi rõ ràng của thầy giúp tôi thực hiện tốt mục đích đề ra.
Tôi cũng xin cảm ơn các quý thầy cô giảng dạy trong chương trình cao học
―Cơ điện tử‖, đã truyền dạy những kiến thức mới mẻ hết sức quý báu và hữu ích
giúp tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Một lời cảm ơn chân thành nữa tôi muốn gửi tới TS.Nguyễn Thị Phương
Giang, cô đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều.
Xin cảm ơn bố mẹ tôi, và đặc biệt người vợ của tôi, họ là nguồn sức mạnh
đặc biệt giúp tôi vượt qua khó khăn trong khi thực hiện đè tài này.
Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn đến Ths.Trần Minh Ngọc ở Trung tâm
Phát triển và Ứng dụng phần mềm công nghệ (DASI CENTER), trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, các bạn lớp CDDTKH13 và các đồng nghiệp của tôi đã hỗ trợ
tôi trong khi học tập và thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Học viên

Vũ Đình Dũng

Page 4


Luận văn thạc sĩ

Danh mục các ký hiệu, chữ cái viết tắt
Ti (i=1,2…)là ký hiệu của nhiệt độ,
qi(1,2…) là ký hiệu của mật độ dòng nhiệt
x lớp không khí có độ dày
"

q

x

(W/m2) Mật độ dòng nhiệt

k (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt
k0=k(t=0) ,
β được xác định là hàm số thực nghiệm
dT
: gadien T
dx

  T T
T

2

1

tc : Nhiệt độ log sau hiệu chỉnh

Ts , Tsur ,twlà nhiệt độ bề mặt rắn

T



nhiệt độ chất khí,

u(y) và T(y) là phân bố nhiệt và vận tốc theo trục y

u



vận tốc hữu hạn

h (W/m2.K) là hệ số truyền nhiệt đối lưu
E (W/m2) được gọi là hệ số phát xạ bề mặt
 là hăng số Blotmann

G và Gabs bức xạ của môi trường
α hệ số hấp thu bề mặt

h

r

là hệ số truyền nhiệt bức xạ

Vũ Đình Dũng

Page 5


Luận văn thạc sĩ

2r là đó đường kính bên trong
2Rc Đường kính cuộn dây của ống xoắn ốc
H là Bước xoắn ốc

 :là tỷ lệ cong kí hiệu
1 : góc giữa hai vòng tròng liên tiếp khí chiếu lên một mặt phẳng đi qua đường tâm
của ống dây lò xo.
De: hệ số dean
Re hệ số Reynolds
f c : hệ số masat dòng chảy ống xoắn
f t : hệ sỗ ma sát dòng chảy trong ống thẳng

Nu hệ số truyền nhiệt
Pr : hệ số Prandtl
Gz hệ số Graetz
l : Chiều dài chảy rối.
k: Động năng chảy rối.

ɛ : Hệ số tiêu tán.
T : Độ nhớt rối.

S là modul của tỉ số ứng suất tensor trung bình
1   
     hệ số giãn nở nhiệt
  T  p

Af : Diện tích mặt cắt ống, Af =  r 2 (m2)
q: Vận tốc khối của chất lỏng (m3/h)
U: hệ số truyền nhiệt liên hợp

Vũ Đình Dũng

Page 6


Luận văn thạc sĩ

Danh mục hình bảng biểu
Danh mục hình ảnh
Hình 1: Dẫn nhiệt......................................................................................................12
Hình 2: Đối lưu .........................................................................................................12
Hình 3: Bức xạ ..........................................................................................................12
Hình 4: Dẫn truyền nhiệt với khuếch tán năng lượng do hoạt động phân tử ...........13
Hình 5: Tường nhiệt một chiều .................................................................................14
Hình 6: Phát triên vùng biên phân lớp trong đối lưu ...............................................15
Hình 7:Quá trình truyền nhiệt đối lưu. (a) Cưỡng bức. (b) Tự nhiên.

(c)Đun sôi.

(d) Ngưng tụ. .............................................................................................................16
Hình 8: Bức xạ, (a) tại bề mặt, (b) bề mặt với môi trường xung quanh ...................18
Hình 9: Dòng trong ống dạng lò xo ..........................................................................20
Hình 10: Kích thước lò xo .........................................................................................26
Hình 11: Kích thước thiết bị mặt cắt đứng ...............................................................27
Hình 12: Phát triên vùng biên phân lớp trong đối lưu .............................................30
Hình 13: Tính toán mô phỏng CFD với thân máy bay .............................................31
Hình 14: Cấu trúc dòng chảy rối ..............................................................................32
Hình 15: Chọn mặt cho mô hình mô phỏng ..............................................................43
Hình 16: Đặt tên cho các mặt biên ...........................................................................43
Hình 17: Thông số kích thước phần tử lưới ..............................................................44
Hình 18: Kết quả quá trình check phần tử lưới ........................................................45
Hình 19: Kết quả chất lượng lưới .............................................................................45
Hình 20: Mô hình hiện các đường biên ....................................................................45
Vũ Đình Dũng

Page 7


Luận văn thạc sĩ

Hình 21: Bảng thiết lập chung thông số mô phỏng ..................................................46
Hình 22: Kích hoạt trao đổi năng lượng nhiệt .........................................................47
Hình 23: Kích hoạt và chọn thông sô môi trường rối ...............................................47
Hình 24: Tạo vật liệu cho bài toán mô phỏng ..........................................................48
Hình 25: Thông số vật liệu chất lỏng ........................................................................49
Hình 26:Thiết lập điều kiện ô miền ...........................................................................50
Hình 27: Thiết lập các điều kiện cho biên đầu vào inlet ..........................................51
Hình 28: Thiết lập các điều kiện cho biên đầu vào inlet ..........................................52

Hình 29: Thiết lập mặt trao đổi nhiệt .......................................................................53
Hình 30: Thiết lập tham số giải ................................................................................54
Hình 31: Kích hoạt tính năng vẽ và theo dõi hội tụ ..................................................55
Hình 32 : Khởi tạo lời giải ........................................................................................55
Hình 33: Cập nhật dữ liệu ban đầu ..........................................................................56
Hình 34: Check case, tính toán mô phỏng ................................................................57
Hình 35: Dịch truyền ................................................................................................57
Hình 36: Nhiệt kế ......................................................................................................57
Hình 37: Dây truyền..................................................................................................60
Hình 38: Thiết bị .......................................................................................................60
Hình 39: Nhiệt phân bổ tại các mặt cắt ....................................................................64
Hình 40: Phân bố nhiệt độ trong dich truyền khi mô phỏng với 3 vòng cuốn..........65
Hình 41: Phân bố nhiệt độ trong dich truyền khi mô phỏng với 5 vòng cuốn..........65
Hình 42: Biểu đồ phân bố nhiệt độ trong dịch truyền khi mô phỏng .......................66

Vũ Đình Dũng

Page 8


Luận văn thạc sĩ

Lý do chọn đề tài
Là một kỹ sư Cơ điện tử, tôi luôn luôn khao khát nghiên cứu, thiết kế và
mong chế tạo được các trang thiết bị Y tế nhằm mục đích hỗ trợ công tác chăm sóc
sức khỏe nhân dân.
Với niềm đam mê và khát khao cháy bỏng này tôi đang tham gia nghiên cứu
đề tài cấp Bộ có tên ―Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sưởi ấm dịch truyền sử dụng
trong y tế‖. Thiết bị sưởi ấm dịch truyền giúp giảm tối đa các tai biến về nhiệt trong
quá trình truyền dịch truyền cho bệnh nhân, nâng cao hiệu quả của dịch truyền. Mô

hình ống xoắn dạng lò xo được dùng nhiều hệ thống kỹ thuật với nhiều các ứng
dụng quan trong trong các nhà máy điện, lò phản ứng hạt nhân, điện lạnh, xử lý điều
hòa không khí, hệ thống thu hồi nhiệt cũng như trong các thiết bị trong y tế. Xác
định quy luật quá trình truyền nhiệt trong hệ thống kỹ thuật là đặc biệt quan trong vì
nó ảnh hưởng hiệu quả và sự an toàn của hệ thống. Để thiết kế và chế tạo thành
công thiết bị này công đoạn quan trọng nhất phải kể đến là tính toán truyền nhiệt và
thiết kế nguồn gia nhiệt chính, đảm bảo ổn định cho nguồn nhiệt này quá trình xem
xét động lực học chất lỏng trong ống xoắn cũng được xem xét.
Phương pháp mô phỏng số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng, với nghiên cứu động lực học cất lỏng
và truyền nhiệt thì phương pháp tính toán số với trợ giúp củng máy tính- phương
pháp CFD- là một phương pháp đã không còn mới lạ với thế giới, nhưng ở Việt
Nam phương pháp này đã được áp dụng cho một số nghiên cứu và cho kết quả khả
quan song hiện nay nó chưa thực sự được phổ biến.
Với lý do này và trong khuôn khổ thời gian, môi trường nghiên cứu, đào tạo
cho phép tôi chọn đề tài luận văn Thạc sỹ có tên ―Nghiên cứu quá trình truyền
nhiệt trong thiết bị sưởi ấm dịch truyền dùng trong y tế bằng phương pháp thực
nghiệm và mô phỏng‖

Vũ Đình Dũng

Page 9


Luận văn thạc sĩ

Lịch sử nghiên cứu
Từ những năm 1492 - Tại Rome, Đức Giáo Hoàng Innocent VIII bị một cơn
đột quỵ, ông bị yếu và hôn mê. Bác sĩ khuyên truyền máu như một biện pháp điều
trị cho căn bệnh của Đức Giáo Hoàng. Đến năm 1915 - Tại bệnh viện Mt. Sinai ở

thành phố New York, Richard Lewisohn được ghi nhận là đã sử dụng natri citrat
như một chất chống đông máu, làm thay đổi quy trình truyền máu trước đây thành
quy trình truyền máu cơ bản như hiện nay và hoạt động Ngân hàng máu cơ bản đã
hình thành. Song hành với kỹ thuật truyền máu là sự phát triển các thiết bị phục vụ
cho việc lấy máu, truyền mau như: kim, dây, chai, bông, cồn, gạc, bộ cho, bộ lọc và
truyền áp lực, Thiết bị truyền, Thiết bị kiểm soát tốc độ truyền, Thiết bị áp lực,
Thiết bị sưởi ấm dịch truyền.
Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Trên cở sở luận văn là đề tài nhánh của đề tài cấp Bộ có tên: ―Nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo bộ sưởi ấm dịch truyền sử dụng trong y tế‖ Luận văn có mục
tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu như sau:
Mục tiêu nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt trong thiết bị sưởi ấm và sử dụng
phần mềm mô phỏng số để tính toán và đánh giá hiện tượng này trong các điều kiện
hoạt động cụ thể của thiết bị sưởi ấm.
Đưa ra và so sánh các kết quả định tính, định lượng từ thực tế và phần mềm
mô phỏng giúp đánh giá đáp ứng cẩu thiết bị
Đối tượng nghiên cứu.
Bộ thiết bị sưởi ấm dịch truyền dùng trong y tế, là sản phẩm của đê tài cấp
Bộ có tên ―Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sưởi ấm dịch truyền sử dụng trong y tế‖
Phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu và thực nhiệm, khảo sát nhiệt độ đầu ra của dịch truyền với
chiều dài dây truyền dịch L(3 vòng, 5 vòng , 10 vòng) với tốc độ dịch truyền
60 giọt, 80 giọt.
Vũ Đình Dũng

Page 10


Luận văn thạc sĩ

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của tác giả

- Phân tích cơ sở truyền nhiệt trong các vật liệu và môi trường khác nhau từ đó
xác định phương trình truyền nhiệt phù hợp với thiết bị để ứng dụng tính
toán lựa chọn thông số kỹ thuật, cấu trúc hệ thống bảo ôn.

- Xác định phương pháp, phần mềm phù hợp để mô phỏng hệ thống bảo ôn
trong quá trình truyền nhiệt, giữ nhiệt và hoàn thiện thiết kế chế tạo hệ thống
bảo ôn.

- Xây dựng hệ số truyền nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng lò xo
- Đưa ra điều kiện hoạt động tốt nhất cho thiết bị.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là kết hợp giữa các nghiên cứu lý
thuyết, thực nghiệm và đánh giá phân tích quá trình truyền nhiệt thông qua các kết
quả định lượng và định tính thu được từ phần mềm mô phỏng số.

Vũ Đình Dũng

Page 11


Luận văn thạc sĩ

Chương 1- Cơ sở lý thuyết
1.1. Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt
Một cách đơn giản, chung nhất, định nghĩa cho câu trả lời : Truyền nhiệt là gì?
―Truyền nhiệt là sự truyền năng lượng nhiệt từ vị trí này tới vị trí khác do có sự
chênh lệch về nhiệt độ‖[7].

Ở đâu có sự chênh lệch về nhiệt độ thì truyền nhiệt xảy ra khi không hoặc có vật
dẫn.
Trên hình 1,2,3 mô tả ba quá trình của truyền nhiệt với Ti (i=1,2…)là ký hiệu
của nhiệt độ, qi(1,2…) là ký hiệu của mật độ dòng nhiệt. Quá trình truyền nhiệt khi
có sự chênh lệnh nhiệt độ trong môi trường rắn hoặc lỏng,khí, thì quá trình truyền
nhiệt này được gọi là dẫn nhiệt. Quá trình truyền nhiệt giữa chất lỏng khí chuyển
động trên bề mặt rắn khi có sự chên lệch nhiệt độ gọi là đối lưu. Tất cả vật rắn ở
một nhiệt độ nhất định đề phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ, quá trình các
vật rắn truyền nhiệt dưới dạng sóng cho nhau không qua vật dẫn được gọi là bức xạ
nhiệt[7].
Dẫn nhiệt trong chất rắn Đối lưu xảy ra giữa một Bức xạ nhiệt, trao đổi nhiệt
hoặc lỏng
chất lỏng hoặc khí chuyển giữa hai bề mặt rắn không
động qua bề mặt rắn.
qua vật dẫn

Hình 1: Dẫn nhiệt

Hình 2: Đối lưu

Hình 3: Bức xạ

1.1.1. Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng nhiệt từ các hạt nguyên tử hay phân tử có
năng lượng cao sang hạt phân tử hay nguyên tử có năng lượng thấp hơn, do sự
tương tác giữa các hạt[7].
Vũ Đình Dũng

Page 12

Luận văn thạc sĩ

Xét một mô hình dẫn nhiệt trong hình 4 với hai bề mặt có nhiệt độ T1 và
T2các hạt phân tử và nguyên tử ở gần. Năng lượng này bao gồm những chuyển động
tịnh tiến ngẫu nhiên, chuyển động quay, hoặc dao động quanh một vị trí của các
phân tử hay nguyên tử.

Hình 4: Dẫn truyền nhiệt với khuếch tán năng lượng do hoạt động phân tử
Khi nhiệt độ lớn năng lượng của các hạt phân tử lớn và dao động mạnh với
biên độ lớn, do đó chung và chạm với nhưng hạt xung quanh. Quá trình va chạm hạt
có năng lượng lớn sẽ truyền sang cho hạt nhỏ hơn. Trong trường nhiệt độ với vector
dòng là q sẽ hướng quá trình truyền năng lượng theo hướng giảm nhiệt độ ( truyền
từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi thấp). Điều này vẫn xảy ra cho dù các không va chạm
với nhau. Vì các hạt là chuyển động ngẫu nhiên những hạt có năng lượng lớn gần
mặt nhiệt độ T1 có thể động theo phương x xuống mà không xảy ra quá trình va
chạm xảy ra quá trình khuếch tán năng lượng.
Điều này cũng xảy ra cho chất lỏng, mật độ phân tử của chất lỏng dày đặc
hơn chất khí, khoảng cách gần hơn do đó tương tác phân tử xảy ra mạnh hơn và
thường xuyên hơn. Tương tự như vậy, trong chất rắn dẫn nhiệt có thể do hoạt động
của phân tử và nguyên tử trong các hình thức dao động quanh nút mạng, tịnh tiến
chuyển động của các electron tự do.
Có thể định lượng quá trình truyền nhiệt qua phương trình Fourier.
Vũ Đình Dũng

Page 13


Luận văn thạc sĩ

Với tường nhiệt một chiều phân bố nhiệt tuyến tính như hình 5 có bề dày là
L, được coi dài vô hạn, nhiệt độ giữa hai mặt là T1 và T2
Hình 5: Tường nhiệt một chiều
Với hàm phân bố nhiệt là T(x), phương trình mật độ dòng :

q
Mật độ dòng nhiệt

q

"
x

"
x

k

dT
dx

(1.1)

(W/m2) đặc trưng cho truyền năng lượng nhiệt trên

một đơn vị diện tích,k (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt, là đại lượng đặc trưng dẫn nhiệt
của vật liệu, giá trị của nó phụ thuộc vào các yếu tố: bản chất vật lý, nhiệt độ,độ
ẩm,hướng…Sự phụ thuộc k vào nhiệt độ trong phần lớn trường hợp có thể biểu diễn

dưới dạng:
k(t) = k0(1+βt)

(1.2)

Trong đó: k0=k(t=0) và β được xác định là hàm số thực nghiệm.
Trong hình 1.3 ta có : gadienT là
Do đó,

Vũ Đình Dũng

dT T 2  T 1
T


dx
L
L

p

"
x

 k T 2

T 1
L

 k T

L

(1.3)

(1.4)

Page 14


Luận văn thạc sĩ

1.1.2. Đối lưu nhiệt
Truyền nhiệt đối lưu bao gồm hai cơ chế. Ngoài quá trình truyền năng lượng
nhiệt do những chuyển động ngẫu nhiên của các hạt phân tử (khuếch tán). Một phần
ít năng lượng nhiệt cũng trược truyền qua sự chuyển động của chất lỏng hoặc
khí,quá trình này nhỏ hơn so với khuêch tán. Trong thực tế các chất lỏng&khí được
cấu tạo từ các hạt phân tử khi các hạt nên khi quá chuyển động sẽ xảy ra tiếp xúc và
chạm dẫn đến truyền nhiệt giữa các hạt có năng lượng nhiệt lớn hơn sang các hạt
nhỏ[7].
Trong hình 6 là quá trình truyền truyền nhiệt đối lưu xảy ra giữa một dòng
chất lỏng chảy qua một bề mặt có nhiệt độ lớn hơn chất lỏng nhiệt độ bề mặt rắn là
Ts ,nhiệt độ chất khí là

T



,u(y) và T(y) là phân bố nhiệt và vận tốc theo trục y. Hệ

quả của quá trình chất lỏng chuyển động trên bề mặt rắn là có vùng phân bố vận tốc

của các lớp chất lỏng với vận tốc từ 0 cho tới

u



hữu hạn.

Hình 6: Phát triên vùng biên phân lớp trong đối lưu
Vùng này còn gọi vùng phân lớp vận tốc hay lớp biên thủy lực. Hơn nữa khi
nhiệt độ của chất lỏng và bề mặt rắn là khác nhau, sẽ có một vùng chất lỏng và tại
đó các lớp có sự biến thiên nhiệt độ từ Ts ở y=0 tới T  ở biên ngoài của chất lỏng.
Vùng này gọi là lớp biên nhiệt, vùng này có thể nhỏ, lớn, kích thước của nó tùy
thuộc vào vận tốc của chất lỏng.
Truyền nhiệt đối lưu được duy trì bằng cả hai cơ chế khuếch tán và chuyển
động giữa các lớp khác nhau của chất lỏng. Truyền nhiệt cơ chế khuếch tán tại lớp
Vũ Đình Dũng

Page 15


Luận văn thạc sĩ

chất lỏng gần bề mặt xảy ra mạnh nhất, tại các lớp đó vận tốc dòng chất lỏng thấp.
Trong thực tế tại vùng tiếp xúc giữ bề mặt rắn và chất lỏng y=0, vận tốc chất lỏng
bằng không và nhiệt chỉ được truyền bằng cơ chế này. Cơ chế các lớp chất lỏng
chuyển động theo phương x (hình 6), nhiệt được truyền từ lớp trong ra lớp biên
ngoài.

Hình 7:Quá trình truyền nhiệt đối lưu. (a) Cưỡng bức. (b) Tự nhiên.

(c)Đun sôi. (d) Ngưng tụ.
Truyền nhiệt đối lưu có thể được phân loại theo tính chất của dòng chảy. Đối
lưu cưỡng bức là khi dòng chảy gây ra bởi các nguồn động lực bên ngoài chẳng hạn
như dùng quạt gió để thổi, dùng máy bơm nước, hay đơn giản chỉ là những cơn gió
tự nhiên của khí quyển.
Ví dụ đối lưu cưỡng bức là một hệ có quạt gió tản nhiệt trong các bo mạch
máy tính (hình 7a). Ngược lại đối lưu tự nhiên xảy ra bởi dòng chảy gây gây ra bởi
các lực nâng, lực nâng này được sinh ra khi có khác biệt mật độ do thay thổi nhiệt

Vũ Đình Dũng

Page 16


Luận văn thạc sĩ

độ của chất lỏng hoặc khí. Ví dụ cho đối lưu tự nhiên là quá trình truyền nhiệt xảy
ra theo chiều dọc của bo mạch điện tử trong không khí(hình 7b). Ở ví dụ này, không
khí tiếp xúc với bo mạch được các điện trở trong bo mạch đốt nóng, gây ra dãn nở
và giảm tỷ trọng, vì vậy nó nhẹ hơn khung khí xung quanh tạo ra lực nâng chuyển
động thẳng lên và vùng trống để lại được thay thế bằng luồng khung khí xung
quanh mát hơn. Trong thực tế, quá trình đối lưu có thể vừa cưỡng bức vừa tự nhiên.
Những mô tả trên, đối lưu xảy ra trong chất lỏng hoặc khí mà không có sự
biến đối pha. Tuy nhiên quá trình đối lưu còn xảy ra khi có sự biến đổi pha của chất
lỏng hoặc chất khí. Trường hợp đặc là ngưng tụ và sôi. Hình 7c là trao đổi nhiệt đối
lưu khi sôi, hình 7d là quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng tụ.
Bất kể quá trình đối lưu nào, thì phương trình mật độ dòng nhiệt được xác
định theo định luật Newton làm mát:

p

"



h (T

s

(1.5)

 T )

Trong đó: p‖ (W/m2)là mật độ dòng nhiệt,

T

s

và

T



lần lượt là nhiệt độ bề

mặt rắn và chất lỏng, h (W/m2.K) là hệ số truyền nhiệt đối lưu nó phụ thuộc vào
điều kiện của lớp biên, bị ảnh hưởng vởi hình dạng bề mặt, tính chất của chất lỏng
hoặc khí chuyển động.

1.1.3. Bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt là năng lượng được phát ra từ vật chất có nhiệt độ lớn hơn 0K.
Sự phát xạ không phụ thuộc vào hình thức của vật chất (vùng vật chất phát xạ có thể
là rắn, lỏng hoặc khí) nó có thể do những thay đổi của cấu hình electron của các
nguyên tử hay phân tử cấu thành. Năng lượng của các trường bức xạ được truyền
bằng sóng điện từ ( hoặc cách khác, photon)[7]. Trong khi quá trình truyền nhiệt
của dẫn nhiệt và đối lưu cần phải có vật chất trung gian, bức xạ thì không. Theo các
nghiên cứu trong thực tế quá trình bức xạ đạt hiệu suất cao nhất trong chân không
( không vật chất trung gian)

Vũ Đình Dũng

Page 17


Luận văn thạc sĩ

Trong hình 8 bức xạ năng lượng của vật rắn thông qua bề mặt của nó. Năng
lượng phát xạ tỷ lệ với diện tích của bề mặt. Đại diện cho bức xạ là E (W/m2) được
gọi là hệ số phát xạ bề mặt . Hệ số phát xạ được tính theo định luật StefanBoltmann:

E  T
b

4

(1.6)

s

Trong đó: Ts (K)là nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt.
 là hăng số Blotmann : 

 5.67 10

8

(W/m2.K4)

Một vật phát xạ tuân theo 1.6 được gọi là vật đen tuyệt đối. Thông thường thì
vật phát xạ ở bề mặt sẽ nhỏ hơn với vật đen tuyện đối và được tính theo công thức.

E   T

4

(1.7)

Hình 8: Bức xạ, (a) tại bề mặt, (b) bề mặt với môi trường xung quanh
Ở đây ε( 0    1 ) là độ phát xạ, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu.
Bức xạ có thể là sự phản xạ các bức xạ từ môi trường xung quanh trên một bề mặt
vật thể nào đó, Bức xạ mộ trường có thể là từ một số nguồn đặc biệt như mặt trời
hoặc từ bề mặt của vật thể khác. Tất cả ta gọi chung là bức xạ của môi trường G
(hình 8a).

Vũ Đình Dũng

Page 18

Luận văn thạc sĩ

Một phần, hoặc tất cả các bức xạ của môi trường có thể được bề mặt của vật rắn hấp
thụ, do đó làm tăng nhiệt độ của vật rắn. Công thức tính bức xạ mà bề mặt hấp thụ(α
hệ số hấp thu bề mặt):

G

abs



(1.8)

G

0    1, Nếu  <1 và bề mặt không trong suốt, một phần của bức xạ môi trường

lên bề mặt rắn sẽ bi phản xạ. Tuy nhiên, hấp thụ và phát ra bức tăng hay giảm, phản
xạ bức xạ không phụ thuộc vào năng lượng của vật rắn, chỉ phụ thuộc vào bản chất
của bức xạ. Ví dụ, bề mặt hấp thụ bức xạ từ mặt trời sẽ khác với hấp thụ bức xạ từ
tường lò.
Nhiệt độ môi trường trong hình 8b là Tsur. Vây, ta có

G  T

4
sur

, giả sử α=ε thì

mật độ dòng bức xạ của bề mặt là(1 đơn vị diện tích mặt):

q

''



q 
  (T 4s T 4sur)
A

(1.9)

Trong nhiều trường hợp có thể viết dưới dạng

q  h A (T s T sur)
r

Với

h

r

(1.10)

là hệ số truyền nhiệt bức xạ:

h    (T s T sur)(T 2s T 2sur)
r

(1.11)

Với bề mặt rắn như hình 1.6b ta có :

q q

Vũ Đình Dũng

conv

q

rad

h

A (T s T )   A  (T 4s T 4s )

(1.12)

Page 19


Luận văn thạc sĩ

1.2. Động lực học chất lỏng trong ống xoắn lò xo

Hình 9: Dòng trong ống dạng lò xo
Trong hình 9 là mô hình của cuộn dây xoắn lò xo trong đó đường kính bên trong là
2r. Đường kính cuộn dây của ống xoắn ốc là 2Rc được đo từ tâm của ống. Bước
xoắn ốc là H. Tỷ lệ giữa đường kính cuộn dây xoắn ốc và đường kính cuộn được
gọi là tỷ lệ cong kí hiệu là  :


r
Rc

(2.1)

Số  được định nghĩa bằng tỷ lệ giửa bước xoắn ốc và chu vi ống xoắn ốc:


H
2 Rc

(2.2)

Góc giữa hai vòng tròng liên tiếp khí chiếu lên một mặt phẳng đi qua đường tâm
của ống dây lò xo là 1 .
Trong đầu thế kỷ thứ 20, các nhà khoa học đã chú ý và nghiên cứu về tính chất,
hiệu ứng của dòng chảy trong ống xoắn lò xo. Grindely và Gibson (1908) đã phát
hiện ra một số ảnh hưởng của dòng chảy cong trên một ống cuộn khi thực nghiệm
một thí nghiệm về độ nhớt không khí [6]. Trước đó Williams và các cộng sự (1902)

Vũ Đình Dũng

Page 20

Luận văn thạc sĩ

đã phát hiện vùng vận tốc khác nhau khi chất lỏng chuyển động trong ống cong.
Eustice(1900) đã phát hiện sự tăng hệ số ma sát của dòng chảy trong ống cong so
với ống thẳng, và ông cho rằng nó có liên quan tới tỷ lệ cong của ống [5]. Eustice
(1911) xem xét độ cong ảnh hưởng tới thay đổi vận tốc tới hạn của dòng chuyển từ
chảy tầng sang chảy rối. Bằng cách tiêm mực vào dòng chảy trong cống cong hình
chữ U, Eustice (1911) đã phát hiện ra dòng chảy thứ cấp. Dòng chảy này xuất hiện
khi một dòng lỏng chảy trong một ống cong hoặc kênh cong. Ông cũng đã phát hiện
ra chuyển động rối trong ống cong khi quan sát cát được cho vào trong dòng chất
lỏng[4].
Dean trong năm 1927 và 1928 đã lần đầu tiên xây dựng mô hình toán học về dòng
chảy trong ống cong. Trong công bố đầu tiên của mình(Dean, 1927) đã xây dựng
một mô hình xấp xỉ chuyển động ổn định của chất lỏng không nén được chảy trong
một ống cuộn lò xo với mặt cắt ngang là hình tròn. Dẫu cho mô hình xấp xỉ này đã
cho kết quả tính toán khá gần với quan sát thực nghiệm, nhưng nó vấn thất bại trong
việc chỉ ra quan hệ giữa gradient áp lực, tốc độc dòng chảy và độ cong cho một
đường ống cong [3]. Trong nghiên cứu tiếp theo của mình được công bố năm 1928
Dean chỉ ra việc giảm tốc độ dòng chảy do độ cong phụ thuộc vào một biến, K ,
được tính theo công thức 2(Re)2r/Rc khi dòng chảy chuyện động chậm, trong đó Re
là hệ số Reynolds. Tuy nhiên kết quả này được giả định với tỷ số r/Rc là nhỏ giả
định này để đơn giản hóa bốn phương trình cơ bản( phương trình liên tụ và ba
phương trình động lượng) mà không ảnh hưởng đến ảnh hưởng của chuyển động
cong. Công bố của Dean (1928) đã giải thích gradient áp lực qua dao động liên tục
giữa các phần tử trung tâm của ống cong, nơi phân chia vùng vận tốc cao và thấp
của dòng chất lỏng do ảnh hưởng của lực ly tâm. Dao động này tổn thất năng lượng
và không có trong đường ống thẳng [2].
C. M. White(1929) đã phát triển sâu hơn nghiên cứu của Dean với thí nghiệm quan

sát nước và dầu với độ nhớt khác nhau chảy tầng trong đường ống với tỉ lệ cong là
1/15, 1/50 và 1/2050. White(1929) chỉ ra rằng thấy khởi đầu của rối trong ống công
không phụ thuộc một mình vào hệ số Reynolds, cũng như tiêu chuẩn Dean
Vũ Đình Dũng

Page 21


Luận văn thạc sĩ

[De=Re(r/R)1/2]. Với trường hợp tỷ lệ cong 1/15, hệ số Re lớn 9000 dòng chảy rối,
với trường hợp 1/2050 không có sự khác biệt về vận tốc dòng chảy chuyển tầng
sang rối đối với ống cong và ống thẳng. White(1929) kết luận dòng chảy trong ống
ổn định hơn so với ống thẳng . White(1929) cũng đã nghiện cứu hệ số ma sát dòng
như một chức năng của tiêu chuẩn Dean và hệ số Reynolds. Nếu như De nhỏ hơn
11.6 thì không có sự ảnh hưởng của hệ số ma sát khi so sánh giữa ống thẳng và ống
cong [19].
Topakoglu (1967) sử dụng một giải pháp gần đúng xác đinh mô hình dòng chảy ổn
định tầng cho một chất lỏng nhớt không nén được chảy trong ống cong. Kết qua cho
thấy chế độ dòng chảy phụ thuộc vào hai biến độc lập, hệ số Reynolds và độ cong
của ống [18]. McConalague và Srivastava (1968) đã thực hiện các nghiên cứu để
xác định các đặc tính của dòng thứ cấp xuất hiện trọng ống cong xoắn lò xo. Kết
quả cho thấy vận tốc hướng tâm tăng, vùng chất lỏng vận tốc lớn tập trung về phía
tường ngoài và dòng thứ cấp cũng có xu hướng chuyển gần tới tường ngoài [12].
1.2.1. Yếu tố ma sát
Ito (1959) thực hiện thí nghiệm trên ống cong trơn đều với tỷ lệ cong từ 1/16.4 tới
1/648 để xác định các yếu tố ma sát cho dòng chảy rối trong ống cong[8]. Ito(1959)
chỉ ra rằng luật phân bố vận tốc theo luật logarit. Đối với Re(r/Rc)2 chạy từ 0.034
tới 300, hệ số ma sát của dòng chảy phân bố theo luật:
1/2

 Rc 
fc  
 r 

  r 2 
 0.029  0.304 Re   
  Rc  

1/4

(3.1)

Đối với Re(r/Rc)2 bé hơn 0,034, mà sát tương đương với ống thẳng. Với giá trị
Re(r/Rc)2 lớn có thể sử dụng công thức:
1/2

 Rc 
fc  
 r 

Vũ Đình Dũng



0.316
1/5

  r 2 
 Re   

  Rc  

(3.2)

Page 22


Luận văn thạc sĩ

Burua (1962) đã phân tích chuyển động của dòng chảy ổn định trong ống xoắn lò xo
với hệ số Dean lớn. Các phân tích giả định một lõi chất không rối nơi chất lỏng
chuyển động hướng ra ngoại vi của ống và một lớp nơi mà chất lỏng chuyển động
trong ngoại vi của ống[1]. Một mối liện hệ giữa ma sát của ống xoắn lò xo và một
ống thẳng thông qua hệ số De. So sánh thực nghiệm và kết luận của tác giả có điểm
tương đồng , tin cậy khi De có giá trị cao hơn khi De có giá trị thấp. Nunge và Lin
(1973) có so sánh ma sát giữa ống thẳng và ông xoắn với tỷ lệ độ cong khác nhau,
chủ yếu tập chung vào ống xoắn có độ cong cao. Nghiên cứu của họ cho thấy ở hệ
số Dean cao, tỷ lệ không tăng khi tăng độ cong[13]. Tarbell và Samuels(1973) đã
phát triển tiếp nghiên cứu đưa ra hệ số ma sát tương quan dựa trên hệ số Reynolds
và tỷ lệ cong[17].

fc
7.964 103 
7
2
 1.0  8.279 104 
 Re 2.096 10 Re
ft
Rc
/

r



(3.3)

1.2.2. Hệ số truyền nhiệt trong ống xoắn lò xo
Seban và McLaughlin (1963) đã nghiên cứu truyền nhiệt trong ống xoắn lò xo cho
cả hai trường hợp chảy tầng và chảy rối. Ống xoắn lò xo với tỷ lệ độ cong là 1/17
và 1/104 với hệ số Reynolds thay đổi từ 12 tới 5600 cho dòng chảy tầng[16]. Hệ số
Prandtl thay đổi từ 100 tới 657. Kết quả cho ta thấy hệ số truyền nhiệt trong ống
xoắn lò xo cao hơn đáng kể xo với ống thẳng trong cùng một điều kiện. Kết qủa
cũng cho thấy sự ảnh hưởng của chiều dài gia nhiệt lê hệ số truyền nhiệt. Seban và
Mcluaghlin (1963) đưa ra công thức tương quan hế số truyền nhiệt Nu dựa trên hệ
số Reynolds và hệ số ma sát:
1/3

2r 
f
Nu  0.644 Pr  Re2 
x
8
1/3

(4.1)

Tuy nhiêt, Seban và Mclaughlin (1963) cũng đưa ra công thức thay thế dạng:
1/3

f


Nu  A Pr1/3  Re2 
8


Vũ Đình Dũng

(4.2)

Page 23


Luận văn thạc sĩ

Giá trị của A là 0.13 cho cuộn dây với tỷ lệ độ cong là 1/17. Giá tri của A không
phù hợp cho cuộn dây tỷ lệ độ cong 1/104 mặc dùng đã có sự thay đổi để phù hợp
hơn. Seban và Maclaughlin (1963) sử dụng một thiết lập thử nghiệm và các phương
trình để xác định mối quan hệ của hệ số ma sát và số Nu cho dòng chảy rối trong
ống xoắn lò xo. Hệ số Reynolds cho thử nghiệm thay đổi trong khoảng 6000 tới
65000 và hệ số Prandtl thay đổi trong khoảng 2.9 tới 5.7[16]:
f

Nu Pr 0.4   Re 
8 

(4.3)

Truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong ống hơi nóng cuộn lò xo đã được nghiên cứ
bởi Rogers và Mayhew (1964)[15]. Họ đề xuất mối quan hệ hệ số Nu:
Nu  0.021Re0.85 Pr 0.4 ( r / Rc) 0.1

(4.4)

Mori và Nakayama (1965) nghiên cứu dòng chảy lý thuyết và thực nghiệm trong
một ống cong với thông thông lượng nhiệt không đổi cùng hệ số Dean lớn. Tác giả
giả thiết rằng dòng chảy được chia làm hai phần, một lớp ranh giới nhỏ gần thành
ống và một khu vực lõi lớn có vai trò chính tạo thành lưu lượng. Trong khu vực lõi,
dòng thứ cấp được giả định hoàn toàn ngang, và có xu hướng vận chuyển chất lỏng
ra từ tâm ra thành ống. Chất lỏng trở lại tâm qua một lớp biên. Với hệ số Dean nhỏ
cũng được nghiên cứu và kiểm chứng. Thông qua phân tích lý thuyết của tác giả,
tác giả suy luận rằng ma sát tăng của dòng chảy trong ống cong là do áp lực của
dòng thứ cấp. Tác giả cũng đã phát triển tỷ lệ giữa độ lớn của nhiệt độ và vận tốc
lớp ranh giới, thể hiện trong số Prandtl. Tỷ lệ số Nu giữa ống thẳng và cong được
xác định phụ thuộc và hệ số Dean và tỷ lệ giửa độ dày của các lớp ranh giới nhiệt và
thủy động học. Thí nghiệm được thực hiện với mô hình có độ cong là 1/40 để kiểm
chứng lý thuyết[20]. Một mô hình ống cuộn lò xo được sử dụng vởi Kubair và
Kuloor (1966) có tỷ lệ giống với mô hình ống cuộc lò xo của Seban và McLaughlin
(1963)[11]. Kết quả của Kubari và Kuloor (1966) trùng hợp với Seban và
McLaughlin (1963) về số thấp Graetz, nhưng lại không trùng về hệ số cao Graetz.
Nu được phát triển dựa trên hệ số cong, và hệ số Graetz (Gz):

Vũ Đình Dũng

Page 24


Luận văn thạc sĩ

Nu  1.98 1.8(r / Rc) Gz 0.7

(4.5)

Với 10Kalb và Seader (1972) đã chỉ ra hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào hệ số Dean và
Prandtl qua cố định nhiệt độ bề mặt của thành ống xoắn lò xo[9].
Trường hợp Dean thay đổi từ 20 tới 1200 và Prandtl thấp (0.005 tới 0.05):
Nu  3.31De0.115 Pr 0.0108

(4.6)

Trường hợp Dean thay đổi từ 20 tới 1200 và Prandtl thấp (0.7 tới 5):
Nu  0.913De0.476 Pr 0.200

(4.7)

Kalb và Seader (1974) đã tiếp tục nghiên cứu và công bố nghiên cứu về hệ số
truyền nhiệt với điều kiện thành ống cuốn lò xo thiết diện tròn có nhiệt độ không
đổi, hệ số Dean lên tới 1200, Hệ số Prandtl và tỷ lệ cong tương ứng của ống cuộn lò
xo lần lượt là 0.05 đến 1600 và từ 10 đến 100. Kết quả cho thấy sự ảnh hưởng nhẹ
của hệ số cong lên hệ số truyền nhiệt[10].
Theo kết quả nghiên cứu của Acharya cùng các cộng sự (1992, 2001) cho ta mối
quan hệ của hệ số Ne và số Prandtl.
Pr nhỏ hơn 1:
Ne  0.69(

r 0.13 0.5 0.43
) Re Pr
Rc

(4.8)

r 0.13 0.5 0.21
) Re Pr
Rc

(4.9)

Pr lớn hơn 1:
Ne  0.69(

Vũ Đình Dũng

Page 25