Bg truyennhiet c iv tdn doiluu dong motpha

Chương IV Sunday, April 30, 2023 A TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU DÒNG MỘT PHA CÁC KHÁI NIỆM CHUNG I PHƯƠNG TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU Nhiệt lượng trao đổi đối lưu tính theo định luật Newton (4-1) W (4-2) Trong  Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu, m2 tw Nhiệt độ bề mặt, oC tf Nhiệt độ lưu chất, oC Trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố (4-3) Trong  Tốc độ chuyển động lưu chất,  Hệ số dẫn nhiệt lưu chất,  Hệ số nhớt động lực học,  Hình dáng hình học  Kích thước tính toán, m Ở sát bề mặt vách có lớp mỏng lưu chất đứng yên, lớp đơn xảy tượng dẫn nhiệt, nhiệt lượng nhiệt lượng trao đổi đối lưu (4-4) Kết hợp biểu thức 4-1 4-4 (4-5)  biết gradient nhiệt độ lưu chất bề mặt vách xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu  II NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH CHUYỂN ĐỘNG  Chuyển động cưỡng Lưu chất chuyển động ngoại lực tác động  Chuyển động tự nhiên Lưu chất chuyển động chênh lệch mật độ khối lượng phần tử lưu chất khác biệt nhiệt độ III CHẾ ĐỘ LƯU ĐỘNG CỦA LƯU CHẤT Chảy tầng Các phần tử lưu chất chuyển động hướng dòng chảy Chảy rối Ngoài chuyển động theo hướng dòng chảy, phần tử lưu chất có dao động ngang Dao động ngang lớn, độ rối lớn Quá độ Lưu ý: Chuyển từ chảy tầng sang chảy rối diễn từ từ Trạng thái gọi chảy độ Chất lỏng gồm nhiều lớp xếp chồng lên Vận tốc lớp chất lỏng nằm sát bề mặt vách có vận tốc zero không bị trượt  đối lưu tự nhiên hay cưỡng lưu động chảy tầng chảy rối Việc chuyển từ chảy tầng sang chảy rối phụ thuộc vào nhiều yếu tố:  Hình dáng hình học bề mặt  Độ xù xì bề mặt  Vận tốc dòng tự  Nhiệt độ bề mặt  Đặc tính lưu chất, nhiều điều khác Sau làm thí nghiệm kỹ lưỡng vào năm 1880, Osborn Reynolds phát rằng, lưu động cưỡng bức, chế độ chảy phụ thuộc nhiều vào giá trị không thứ nguyên gọi tiêu chuẩn Reynolds Hệ số Reynolds tỷ số lực quán tính lực nhớt ma sát chất lỏng (4-6) Trong Vận tốc dòng tự do,  Chiều dài hình học đặc trưng, m hệ số nhớt động lực học lưu chất, hệ số nhớt động học lưu chất, Hệ số Reynolds dòng lưu chất bắt đầu chảy rối gọi hệ số Reynolds tới hạn Giá trị hệ số Reynolds tới hạn khác hình dáng hình học khác Ví dụ: Giá trị thay đổi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, mức độ rối, giá trị áp suất dọc bề mặt IV LỚP BIÊN VẬN TỐC (LỚP BIÊN THỦY LỰC) Khảo sát dòng lưu chất chuyển động qua vách phẳng Vận tốc lưu chất tọa độ x thay đổi từ (zero) đến gần Vùng lưu chất phẳng có vận tốc thay đổi chịu tác động lực biến dạng nhớt gọi lớp biên vận tốc hay đơn giản lớp biên Chiều dày lớp biên giá trị vận tốc Đường giả thuyết thường xem khoảng cách từ bề mặt đến chia lưu chất làm hai vùng:  Vùng lớp biên Trong có tác động tính nhớt thay đổi vận tốc có ý nghóa,  Vùng lưu động lý tưởng Trong ảnh hưởng ma sát bỏ qua vận tốc thay đổi Lưu ý Profile vận tốc dòng chảy tầng gần giống đường parabolic trở nên giống vùng chảy rối, với hình dáng gần bề mặt giảm độ dóc Trong vùng chảy rối, lưu chất chia làm ba vùng  Lớp đệm tầng  Lớp đệm Một lớp mỏng nằm sát bề mặt vách tác động tính nhớt lớn Ngay sát lớp đệm tầng, ảnh hưởng tính rối đáng kể tính lan truyền không lớn,  Lớp chảy rối Trong tác động rối lớn V LỚP BIÊN NHIỆT Chiều dày lớp biên nhiệt dọc theo bề mặt khoảng cách từ bề mặt cho nhiệt độ thỏa phương trình Chiều dày lớp biên nhiệt tăng theo chiều dòng chảy hiệu truyền nhiệt Lưu ý * Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu quan hệ trực tiếp với gradient nhiệt độ vị trí khảo sát Hình dáng profile nhiệt lớp biên nhiệt quy định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt rắn lưu chất lưu động qua Trong trường hợp lưu động qua bề mặt gia nhiệt (hay làm lạnh), lớp biên nhiệt lớp biên thủy lực phát sinh đồng thời Lưu ý ** Vận tốc lưu chất ảnh hưởng mạnh đến profile nhiệt độ, phát triển lớp biên thủy lực có quan hệ với lớp biên nhiệt ảnh hưởng mạnh đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Mối quan hệ chiều dày lớp biên nhiệt lớp biên thủy lực mô tả thông qua hệ số không thứ nguyên Prandtl Nó đặt theo tên Ludwig Prandtl, người đưa khái niệm lớp biên vào năm 1904 góp phần đáng kể vào xây dựng lý thuyết lớp biên Hệ số Prandtl thay đổi từ giá trị nhỏ 0,01 kim loại lỏng 100.000 dầu nặng Có thể sử dụng biểu thức gần sau để mô tả quan hệ chiều dày lớp biên thủy lực chiều dày lớp biên nhiệt (4-7) Hệ số Prandtl khí khoảng 1, điều biểu thị động lượng nhiệt lượng tiêu tán xuyên qua lưu chất có giá trị Nhiệt lượng khuếch tán nhanh kim loại lỏng dầu chậm VI XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu xác định theo lý thuyết việc giải phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng lượng theo phương pháp xấp xỉ phương pháp số Trong thực tế hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thường xác định thông qua hệ số không thứ nguyên Nusselt Tiêu chuẩn không thứ nguyên Nusselt Tiêu chuẩn Nusselt Là tỷ số nhiệt lượng trao đổi qua lớp lưu chất đối lưu so với trường hợp đơn dẫn nhiệt Ta lập tỷ số sau (4-8) Giá trị Nusselt lớn, thể đối lưu lớn Giá trị hệ số Nusselt dẫn nhiệt biểu thị nhiệt lượng truyền qua lớp lưu chất đơn Giá trị hệ số không thứ nguyên Nusselt tìm từ thực nghiệm, sau xây dựng thành phương trình tiêu chuẩn: có nhiều tác giả làm công việc  nhiều phương trình tiêu chuẩn sử dụng cho trường hợp, khái niệm sai phương trình B LƯU ĐỘNG CƯỢNG BỨC I DÒNG LƯU ĐỘNG QUA TẤM PHẲNG Hệ số Nusselt trung bình biểu diễn theo hệ số Reynolds hệ số Prandtl theo dạng sau (4-9) Trong C, m, n số thực nghiệm L Chiều dài phẳng theo chiều dòng chảy Hệ số Nusselt cục vị trí phẳng tính theo khoảng cách từ đến vị trí vào Thông số vật lý lưu chất thông thường lấy theo nhiệt độ trung bình lớp biên (4-10) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thay đổi phụ thuộc vào vận tốc chiều dày lớp biên nhiệt dọc theo dòng, thay đổi dọc theo bề mặt truyền nhiệt phẳng Giá trị trung bình hệ số truyền nhiệt phẳng xác định từ giá trị cục qua tích phân sau (4-11) Trong Vùng Chảy Tầng Hệ số Nussetl cục vị trí x dòng chảy tầng qua phẳng cho sau (4-12) Hệ số trung bình xác định theo công thức 4-11 viết đơn giãn lại sau (4-13) sau Với giá trị Reynolds tới hạn, chiều dài tới hạn vùng chảy tầng xác định Các công thức sử dụng vùng (4-14) Trong Vùng Chảy Rối Hệ số Nusselds cục vị trí x xác định sau (4-15) Với x khoảng cách từ điểm vào phẳng Reynolds vị trí x hệ số Hệ số trung bình vùng chảy rối (4-16) Kết Hợp Dòng Chảy Tầng Chảy Rối Trong vài trường hợp, phẳng đủ dài dòng trở nên chảy rối, giá trị trung bình tính qua hai phần:  Vùng chảy tầng  Vùng chảy rối: (4-17) Lưu ý rằng, kết hợp vùng độ vào vùng chảy rối Giá trị trung bình toàn bề mặt (4-18) Tính nhiệt lượng đối lưu W Với (4-19) diện tích phẳng có chiều dài L chiều rộng W Khi phẳng với thay mật độ dòng nhiệt số cho nhiệt độ không đổi, hệ số Nusselt cục cho sau Chảy tầng (4-20) Và chảy rối (4-21) Quan hệ tăng 36% trường hợp chảy tầng 4% trường hợp chảy rối so với trường hợp bề mặt đẳng nhiệt