Baøi giaûng Truyeàn nhieät CHÖÔNG 4 TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA) CHÖÔNG 2 TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA) §1 KHAÙI QUAÙT Theo nguyeân nhaân chuyeån ñoäng trong quaù tr[.]
Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) CHƯƠNG 2: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) §1 KHÁI QUÁT - - - - - - Theo nguyên nhân chuyển động trình toả nhiệt đối lưu chia thành dạng chính: đối lưu cững đối lưu tự nhiên Đối lưu cưỡng dòng chất lỏng có nhiệt độ trung bình tf chuyển động qua bề mặt vật rắng có nhiệt độ trung bình tw với vận tốc Vận tốc cung cấp bơm, quạt … VD: … Khi trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng lớn nhiều so với đối lưu tự nhiên diện tích truyền nhiệt nhỏ thiệt bị gọn nhẹ Tuy nhiên cần tiêu tốn lượng để vận chuyển lưu chất bơm, quạt, máy nén Trong chương ta khảo sát dòng lưu chất pha, tức biến đổi pha (lỏng hơi, lỏng …) trình trao đổi nhiệt Nhiệt lượng truyền trình toả nhiệt đối lưu theo công thức Newton: Q = F(tw – tf) L hướng giải toán trao đổi nhiệt đối lưu từ lý thuyết đồng dạng kết hợp với thực nghiệm điều kiện trao đổi nhiệt ổn định ta tìm phương trình Nu=f(Re, Gr, Pr) Theo tiểu chuẩn Nusselt Nu Sau ta xem xét trường hợp cụ thể: §2 CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG (ống bất kỳ) Tuỳ nheo chế độ dòng chảy mà cường độ trao đổi nhiệt đối lưu khác nhau, đặc trưng cho chế độ dòng chảy tiêu chuẩn L Renolds: Re Re < 2200 2200 104 chảy tầng chảy độ chảy rối CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -1- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) Trong thiết bị trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng người ta sử dụng chế độ chảy rối thiết kế để lớn làm giảm diện tích trao đổi nhiệt thiết bị gọn nhẹ Đối với chất lỏng có độ nhớt cao (như dầu máy biến áp, nhớt) sử dụng chảy tầng để giảm công bơm áp lực đường ống 2.1 CHẤT LỎNG CHẢY RỐI Re > 104 Nu f 0,021 Re Pr , 43 f Prf Prw , 25 L R Nhieät độ xác định nhiệt độ trung bình lưu chaát tf t ,8 f f f trab aûn g Prf Nu. f L f trabaûng tw Prw - Kích thước xác định: ng tròn: L = dtr ng hình dạng khác: L d tđ 4F U F diện tích mặt cắt ướt U chu vi ướt F U U F b F d U a 4ab dtñ = 2(a+b) - D dtñ = D d 0, 25 - Pr Hệ số f xét đến ảnh hưởng phương Prw hướng dòng nhiệt CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -2- Bài giảng Truyền nhiệt tf q CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) tf tw tw > tf q tw tw < tf Trường hợp tw > tf dòng nhiệt truyền từ ống, chất lỏng gần bề mặt vách có nhiệt độ cao giảm tốc độ tăng, ngược lại: tw < tf dòng nhiệt truyền từ ồng ngoài, chất lỏng gần bề mặt vách có nhiệt độ thấp cao tốc độ giảm Trong hai trường hợp tốc độ phân bố khác nhau, ảnh hưởng đến mà việc chọn nhiệt độ tf chưa phản ánh nên thêm hệ số hiệu chỉnh - Hệ số L hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng chiều dài ống, chọn sau: L 50 L 1 d L L 50 L f ( ; Re f ) tra baûng d d Re L d L - Hệ số R hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng độ cong ống, ảnh hưởng lực ly tâm nên phân bố tốc độ chất lỏng ống cong khác ống thẳng nên tăng lên d R CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -3- Bài giảng Truyền nhiệt R 1 1,77 CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) d R R bán kính cong ống R giảm R tăng R (ống thẳng) R tăng =1 Phạm vi sử dụng: công thức tính Nuf cho chất lỏng chảy, trừ kim loại lỏng cho hình dạng ống ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: Do Pr thay đổi theo nhiệt độ (Pr Pr 0,7) nên xem f Prw , 25 1 ,8 Khi Nu f 0,018 Re f , 43 0,018 ) (Goäp 0,021Prf 2.2 CHẤT LỎNG CHẢY TẦNG Re < 2200 Nu f 0,15 Re ,33 f Pr , 43 f Pr Gr f Prw ,1 f , 25 L gL3 (t w t f ) Tiêu chuẩn Grashof Gr 2f g gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2 [1/K] hệ số giản nở nhiệt Chất lỏng: tra bảng theo tf Chất khí: t f 1 Tf t f 273 f Pr f Nu. f L ( chất khí ) trabảng f 0,1 Hệ số Grf xét đến ảnh hưởng đối lưu tự nhiên Hệ số L : L 50 L 1 d L L 50 L f ( ) tra baûng d d CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -4- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) L d L Do chảy tầng, tốc độ thấp nên xem R = ,33 ,1 ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: Nu f 0,13 Re f Grf §3 CHẤT LỎNG CHẢY NGOÀI ỐNG TRÒN (chỉ ống tròn) Khác với chất lỏng chảy ống: hình dạng loại ống có đặc trưng chuyển động không khác nhiều; Quá trình toả nhiệt chất lỏng chảy ngang qua ống có hình dạng phức tạp cần tiến hành thí nghiệm riêng nên phần khảo sát ống tròn 3.1 CHẤT LỎNG CHẢY NGANG ỐNG ĐƠN - Kích thước xác định: dng - Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình chất lỏng tf Prf Prw ,6 , 36 Pr Khi Ref > 10 : Nu f 0,28 Re f Prf f Prw Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re ,5 f Pr , 36 f , 25 , 25 : hệ số hiệu chỉnh góc va ống dòng chất lỏng Dòng chất lỏng chảy vuông góc với ống: =1 ( 90 o ) 90 o : tra đồ thị ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: ,5 Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -5- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) ,6 Khi Ref > 103 : Nu f 0,245 Re f 3.2 CHẤT LỎNG CHẢY NGANG CHÙM ỐNG Trong thiết bị trao đổi nhiệt bố trí ống riêng lẽ mà thường bố trí dạng chùm ốm nhằm tăng diện tích truyền nhiệt Việc bố trí ống thiết bị dạng tuỳ theo yêu cầu công nghệ, nhiên nguyên lý quy dạng bố trí sau: Bố trì song song: S1 S2 0 n hàng ống Bố trí so le CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -6- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) S1 S2 0 n hàng ống Thông thường kỹ thuật thường chọn: S1, Ss = (1,5 3)dng Bố trí so le có hiệu tryuền nhiệt tốt tổn thất áp suất nhiều a) Chùm ống song song Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re ,5 f Pr , 36 f Prf Prw , 65 , 36 Pr Khi Ref > 10 : Nu f 0,22 Re f Prf f Prw , 25 , 25 ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: ,5 Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f , 65 Khi Ref > 103 : Nu f 0,149 Re f b) Chùm ống so le Khi Ref < 10 : Nu f 0,56 Re ,5 f Pr , 36 f Prf Prw ,6 , 36 Pr Khi Ref > 10 : Nu f 0,4 Re f Prf f Prw , 25 , 25 ĐỐI VỚI KHÔNG KHÍ: CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -7- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) ,5 Khi Ref < 103 : Nu f 0,49 Re f ,6 Khi Ref > 103 : Nu f 0,35 Re f Chú ý: sử dụng công thức trên: - - - - Nhiệt độ xác định tf nhiệt độ trung bình lưu chất trước sau chùm ống Kích thước xác định đường kính dng ống Khi tính Re d ng chổ hẹp ( 0 ) vận tốc dòng chảy qua : hệ số hiệu chỉnh góc va ống dòng chất lỏng 90 o = 90 o : tra đồ thị - Các công thức dùng để tính cho hàng ống thứ trở ( ) Khi dòng chất lỏng chuyển động bên đến đập bề mặt chùm ống gây nên xáo trộn Do hàng ống bị ảnh hưởng xáo trộn ảnh hưởng đến hệ số toả nhiệt đối lưu Thực nghiệm người ta xác định hàng hàng theo chiều dòng chảy lưu chất có hệ số toả nhiệt đối lưu nhỏ hàng ống thứ trở hiệu chỉnh sau: Bố trí song song 0,6 0,9 Bố trí so le 0,6 0,7 Khi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình chùm ống: CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -8- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) Song song So le 1 (n 2) (n 0,5) n n 1 (n 2) (n 0,7) n n TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC ĐỀ BÀI (trong ống, ống) Kích thước xác định Nhiệt độ xác định tf (tra bảng) Tính Re Chọn công thức tính Nuf = Nu./L Q = F(tw - tf ) Các quan hệ khác: Từ chương trước Nu =CRemPrn Trong C, m, n số Khái niệm dịng phát triển hồn tồn (Fully developed flow) CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -9- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DOØNG PHA) Chảy rối: Quan hệ Dittus-Boelter: Của Sieder-Tate: Chảy tầng: Của Hausen: Của Sieder-Tate: Chảy ống đơn: CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -10- Bài giảng Truyền nhiệt CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) n Quan hệ Knudsen-Katz: Nu df u d d C Prf1 / f f Chảy chùm ống: u CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -11- Bài giảng Truyền nhiệt u max CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) u max u Sn u Sn d a) Bố trí song song Sn S 2 S2p d n b) Bố trí so le n u d d Nu df C max Prf1 / (chùm ống 10 hàng ống trở lên) f f Đối với chùm ống 10 hàng ống, nhân hệ số hiệu chỉnh: CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ -12- Bài giảng Truyền nhiệt CBGD: TS NGUYỄN MINH PHÚ CHƯƠNG 4: TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỢNG BỨC (DÒNG PHA) -13-