PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT Ta lần lượt khảo sát trong ba hệ tọa độ tương ứng với các trường hợp trong vách phẳng, trong vật hình trụ và vật hình cầu... TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRỤ Xét trườ
Trang 1Chương II
Sunday, October 05, 2008 DẪN NHIỆT
ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU
A PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DẪN NHIỆT
Ta lần lượt khảo sát trong ba hệ tọa độ tương ứng với
các trường hợp trong vách phẳng, trong vật hình trụ và vật
hình cầu
I TRONG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC
Xét trường hợp dẫn nhiệt qua vách phẳng rộng so với
chiều dày, mật độ dòng nhiệt đồng đều
o Nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương vuông góc vách
o Mặt đẳng nhiệt song song bề mặt vách
Xét phần tử vách như sau
o Chọn trục tọa độ vuông góc mặt đẳng nhiệt
o Phương trình bảo toàn năng lượng cho phần tử khảo
thiênbiếnV
trongsinh
phát
lượngnhiệt
xxtạiradẫn
lượngnhiệt
xtại
'
' '
x x
EQ
'
U
'
'
'
W W '
W W
W '
W
W W '
W '
xFqVqQ
ttxFCt
tCm
EE
E
v v
V V
Thế vào phương trình 2-1, ta có:
Trang 2Chia phương trình trên cho F'x, ta được
W'
U
'
Cq
x
F
1
v x x
o'0
0x
Ww
w
U
w
Ow
w
x
tFxF
w
ww
w'
'
o
tFx
x
Qx
0 x
Với diện tích F const, phương trình 2-3 được viết lại
Ww
w
U
w
Ow
Cq
x
t
II TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRỤ
Xét trường hợp dẫn nhiệt qua vách trụ có chiều dài lớn
so với bán kính, mật độ dòng nhiệt đồng đều
o Nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương bán kính
o Mặt đẳng nhiệt là những mặt trụ đồng tâm Xét phần tử vách như sau
o Chọn trục tọa độ trùng với trục ống
o Phương trình bảo toàn năng lượng cho phần tử khảo sát như sau
Trang 3trongsinh
phát
lượngnhiệt
rrtạiradẫn
lượngnhiệt
rtại
'
' '
r r
EQ
'
U
'
'
'
W W '
W W
W '
W
W W '
W '
rFqVqQ
ttrFCt
tCm
EE
E
v v
V V
Thế vào phương trình 2-5, ta có:
W'
'
U'
FqQ
Qr r r v
Chia phương trình trên cho F , lấy giới hạn và sử 'r
dụng định luật Fourier
W'
U
'
Cq
r
F
1
v r r
Ww
w
U
w
Ow
w
r
tFrF
1
Với diện tích F 2SrL, phương trình 2-7 được viết lại
Ww
w
U
w
O
w
w
r
trrr
1
III TRONG HỆ TỌA ĐỘ CẦU
Xét trường hợp dẫn nhiệt qua vách cầu, mật độ dòng nhiệt đồng đều trên bề mặt
o Nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương bán kính
o Mặt đẳng nhiệt là những mặt cầu đồng tâm Xét phần tử vách như sau
Thực hiện tương tự như phần vách trụ, với lưu ý diện tích F 4Sr2thế vào 2-7, phương trình dẫn nhiệt
w
U
Trang 4IV TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT
CHO TRƯỜNG MỘT CHIỀU
Từ các phương trình 2-4, 2-8 và 2-9, ta có dạng tổng
quát cho trường một chiều như sau:
Ww
w
U
w
w
r
tr
rr
1
v n
0n
ii Tọa độ trụ
w
O
w
w
w
a
1qr
trrr
dr
10
n ¨©§ ¸¹· O
oW
w
ii Trường hợp không có nguồn nhiệt bên trong
Ww
w
w
trrr
10
iii Trường hợp dẫn nhiệt ổn định không có nguồn nhiệt bên trong
0dr
dtrdr
d0
q
0
t
n v
(2-14)
Trang 5B ĐIỀU KIỆN BIÊN - ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU
Giải phương trình vi phân ta được nghiệm tổng quát, đối
với từng trường hợp cụ thể sẽ có tương ứng điều kiện biên,
kết hợp lại sẽ xác định được phương trình riêng tương ứng
I ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU
Là hàm phân bố nhiệt độ tại thời điểm bắt đầu khảo sát,
tổng quát
x,y,z,0 t x,y,z
II ĐIỀU KIỆN BIÊN THEO NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ bề mặt rất dễ xác định, do vậy điều kiện biên
nhiệt có thể cho theo nhiệt độ bề mặt
Ví dụ cho trường hợp vách phẳng có chiều dày G
¯
®
WG
W
2
1
t,t
t,0t
(2-16)
III ĐIỀU KIỆN BIÊN MẬT ĐỘ DÒNG NHIỆT
Khi biết đầy đủ thông tin về tương tác năng lượng ở bề mặt o xác định được mật độ dòng nhiệt o được sử dụng làm điều kiện biên
¸¸¹
·
¨¨©
§w
w
O
xtrívịmặtbềtại
đổitraonhiệtdòngx
t
Lưu ý: Chiều hướng dòng nhiệt dẫn trong vách và
dòng nhiệt trên bề mặt
Điều kiện biên:
0
qx
,0tw
Ww
O
O
x,t
Trang 6Trường hợp bề mặt được cách nhiệt tốt
x
,0tw
Ww
O
x
,tw
WGw
O
x
,0tw
Ww
w
WGw
lưuđốilượngnhiệt
mặtbềđến
dẫnlượngnhiệt
D > W
w
O
x
,0t
1 f
WG
D
w
O
Ví dụ
Trang 7V ĐIỀU KIỆN BIÊN BỨC XẠ
xạbứclượngnhiệt
mặtbềđến
dẫnlượngnhiệt
H V> W @
w
Ww
O
x
,0
1 , surr
và
2 , surr 4
x
,0t
WG
V
Hw
Ww
O
Ví dụ
VI ĐIỀU KIỆN TIẾP XÚC
Trường hợp tiếp xúc lý tưởng giữa hai vách
,x
B o
A A
w
Ww
O
w
Ww
O
Trang 8VII ĐIỀU KIỆN BIÊN SUY RỘNG
đổitraolượngnhiệt
tổngmặt
bềđến
dẫnlượngnhiệt
C MỘT SỐ VÍ DỤ
D DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU KHÔNG CÓ NGUỒN NHIỆT BÊN TRONG
I PHƯƠNG TRÌNH DẪN NHIỆT
Từ phương trình 2-10
Ww
w
U
w
w
r
tr
rr
1
v n
w0t
0
qv
Ta được
0r
tr
w
Trường hợp hệ số dẫn nhiệt O const
0r
trr
w
w
0n
ii Tọa độ trụ
Trang 9II DẪN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG
1 Vách Phẳng Một Lớp
Xét vách phẳng đồng chất, đẳng hướng, mật độ dòng
nhiệt đồng đều trên bề mặt
t
Chiều dày G, m
Hệ số dẫn nhiệt O, W/(m.K)
Nhiệt độ bề mặt hai bên
vách được duy trì không đổi t1, t2
Vách có chiều rộng rất lớn so
với chiều dày, như vậy nhiệt độ
chỉ biến thiên theo phương
vuông gốc với mặt phẳng
o dẫn nhiệt ổn định một chiều
td
tt
tt
(2-26) Tích phân phương trình 2-25 ta được nghiệm:
2
1 x CC
O
u
2 1
2
2 1
1
CC
t
C0Ct
1 2 1
tC
ttC
Thế vào phương trình trường nhiệt độ
xttt
R
tt)F(
tt
F
R
O
G
O Nhiệt trở dẫn nhiệt qua1 lớp vách phẳng,
WK
Trang 10Hình dưới cho ta thấy sự tương đương của các đại lượng
trong hai công thức:
Phương trình 2-27 cũng có thể viết lại:
x
qt
O
Nhận xét: Khi hệ số dẫn nhiệt là hằng số, phân bố
nhiệt độ trong vách là hàm tuyến tính
Do diện tích các mặt đều giống nhau, nhiệt trở RO có thể tính tương ứng cho F 1m2 và công thức 2-30 chính là mật độ dòng nhiệt qF
2 Dẫn Nhiệt Qua Vách Phẳng Nhiều Lớp
Giả sử ta có vách phẳng gồm 3 lớp như hình bên dưới
Ta tính cho một đơn vị diện tích, các vách tiếp xúc lý tưởng
2
3 2 2
1
2 1 1
R
ttqR
ttqR
ttq
2
2 2
RO
G
3
3 3
RO
G
1
1 1
ROG
3
t
1
Trang 11Ở chế độ dẫn nhiệt ổn định, dòng nhiệt qua các bề mặt
đẳng nhiệt bất kỳ của các vách phẳng phải bằng nhau:
F 3 2
qhay0x
qw
Từ sơ đồ mạng nhiệt ta có
3 2 1
4 1 3
4 3 2
3 2 1
2 1
3 2
4 2 2 1
3 1 1
2 1
RRR
ttR
ttR
ttR
tt
RR
ttRR
ttR
ttq
4 1 3
2 1
4 1 F
ttR
RR
ttq
O
G
O
G
O
n 1
i i i
1 n 1 F
tt
3 Trao Đổi Nhiệt Giữa Hai Lưu Chất Qua Vách Phẳng
Trường hợp này có trao đổi nhiệt đối lưu của lưu chất
Ta viết phương trình tính nhiệt lượng trao đổi đối lưu theo Newton đồng dạng định luật Ohm như sau:
D
R
tt)F(1
tt
W,ttFQ
f w f w
f w
F
1R
D
D Nhiệt trở đối lưu của vách phẳng, K WXét hai lưu chất trao đổi nhiệt qua vách phẳng 2 lớp như hình sau:
Trang 12Hệ phương trình trao đổi nhiệt
D
OG
GO
OG
GO
D
D
D D
O O
O O
D D
2
2 f 3 2
2 f 3 2 f 3 2 2
2
3 2 2
2
3 2 3
2 2
2 2
1
2 1 1
1
2 1 2
1 1
1 1
1
1 1 f 1
1 1 f 1 1 f 1 1
R
tt)F(1
ttt
tFQ
R
tt)F(
ttt
tFQ
R
tt)F(
ttt
tFQ
R
tt)F(1
ttttFQ
(2-38)
Trong trường hợp dẫn nhiệt ổn định, ta có
QQQQ
Từ sơ đồ mạng nhiệt ta có:
2 2 1 1
2 f 1 f
2
2 f 3 2
3 2 1
2 1 1
1 1 f
2
2 f 3 2 2
2 f 2 2 2 1
2 f 1
2 1 1
3 1 f 1
1
2 1 f 1
1 1 f
RRRR
tt
R
ttR
ttR
ttR
tt
R
ttRR
ttR
RR
tt
RRR
ttR
R
ttR
ttQ
D O O D
D O
O D
D D
O D O O
O O D O D D
F1
ttQ
2 2
2 1
1 1
2 f 1 f
D
O
G
O
G
D
2 f 1 f F
ttk
mW,11
ttF
D
O
G
O
G
D
(2-42)
với
2 2 2 1 1 1
1k
D
O
G
O
G
D
)K.m(
gọi là hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng
Trường hợp vách n lớp
2 i i 1
1k
D
O
i i
i F 1 1 k
1
F 1 f 1
qtt
qtt
(2-45)
Trang 134 Dẫn Nhiệt Qua Vách Phức Hợp
Trường hợp này vách gồm tổ hợp nhiều vật liệu khác nhau
Nhiệt lượng truyền qua các lớp vách:
'R
t
với tổng nhiệt trở ¦R O tính tương ứng như mạch điện trở
Ví dụ tính tổng nhiệt trở cho lớp vách phức hợp sau:
Trang 145 Nhiệt Trở Tiếp Xúc
III DẪN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ
1 Trường Hợp Vách Trụ Một Lớp
Xét vách trụ 1 lớp như hình bên dưới Đường kính trong
, m
1
1 2.rdĐường kính ngoài , m
2
2 2.rdChiều dài L, m Hệ số dẫn nhiệt O, (m.K)
WNhiệt độ bề mặt vách phía trong và phía ngoài là
t1 và t2
Trang 15Phương trình 2-24 được viết lại như sau
0dr
dtrdr
1 1
trt
trt
(2-49) Tích phân phương trình 2-48 ta được nghiệm:
1
1
CrlnCt
r
Cdr
2 1 1 1
CrlnCt
CrlnCt
1 2 1 2
1 2
1 2 1
rlnrrln
tttC
rrln
ttC
Thế vào phương trình trường nhiệt độ
1 2
1
rrln
rrlntr
r
CLr.2dr
dtFQ
1 2
2 1
1 cylinder
O
S
S
O
O
lượngnăngthiênbiếnvách
radẫn
lượngnhiệtvách
vàodẫn
lượngnhiệt
Dẫn nhiệt ổn định 0
d
dE Wo
Nhiệt dẫn qua cylinder xác định như sau
dr
dtF
³
S
2
1 2
1
t t r
r
cylinder
dtr
drL2
rrln
ttL2
Phương trình trên có thể viết ở dạng mạng nhiệt trở
cyl
2 1 cylinder
R
tt
Trang 16Với nhiệt trở Rcyl
L2
rrln
cyl
O
Lưu ý: Nhiệt lượng truyền qua tại hai bề mặt bằng nhau
Nhưng mật độ dòng nhiệt khác nhau trên hai bề mặt:
1
Q
2 1
2
2 2
1
1 1
r.2
S
Lr.2
L
!
Để thuận tiện trong tính toán, người ta thường tính nhiệt
lượng dẫn qua ứng với L m chiều dài ống: 1
S
R
ttddln2
1
ttL
Q
1 2
2 1
O
2
ddln
" Nhiệt trở qua 1 lớp vách trụ ứng với
1m chiều dài ống, (m.K) W
Lưu ý: Trong trường hợp d2 d1 , có thể sử dụng 2
công thức vách phẳng để tính toán Diện tích vách lấy theo đường kính trung bình
2 1
2 1 tb
tb
dd5,0
dd5,0d
d.LF
G
Q " Mật độ dòng nhiệt tính cho một đơn vị diện tích:
t
qF 'G
.qd.qL
S
Nhiệt trở
Ld
ttR
ttQ
tb
2 1 2
1
O
SG
O
Trang 172 Dẫn Nhiệt Qua Vách Trụ Nhiều Lớp
Xét vách trụ 3 lớp như hình dưới đây
Ta có phương trình dẫn nhiệt trong trường hợp ổn định
3 4 3
2 3 2
1 2 1
4 1
4 1 4
3 3 2 2 1
4 2 3
1 2 1
d
dlnL2
1d
dlnL2
1d
dlnL.21
tt
RRR
ttR
ttR
ttR
tt
RR
ttR
R
ttR
ttQ
3 2 1 3
2 1
3 2 2 1 1
SO
SO
OS
O O
O O O O O
d1d1d1
ttL
Trường hợp vách trụ có n lớp
Nhiệt lượng truyền qua vách trụ n lớp:
S
n 1
1 i i
1 n 1
d
dln1
ttL2
S
1
1 i i
1 1 k
d
dln1L2
Qt
n 1
i i tb i i
1 n 1
dL1
tt
Trang 183 Trao Đổi Nhiệt Giữa Hai Lưu Chất Qua Vách Trụ
Ta xét trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu ở vách trụ
W,R
tt)rL.2(1
tt
W,ttLr.2
W,ttFQ
f w f
w
f w
f w
D
D
D
S
D
S
D
D
rL.2
1
R nhiệt trở đối lưu của vách trụ có chiều
dài L ở bán kính r, K W
Trong trường hợp trao đổi nhiệt ổn định, ta có
QQQ
rlnr
1
ttL2
RRR
ttR
ttR
ttR
tt
RR
ttRR
ttR
ttQ
2 2
1 2 1
1
2 f 1 f
2 1
2 f 1 f 2
2 f 2 2 1 1
1 1 f
2
2 f 1 1
2 1 f 1
1 1 f
D
O
D
S
O D
D O O D D
mW,r
1r
rlnr
1
tt2L
2 f 1 f
2 2
1 2 1
1
2 f 1 f
D
S
1 2 1
1r
rlnr
1
2k
D
O
D
S
Gọi là hệ số truyền nhiệt của vách trụ 1 lớp, W (m.K)
Trường hợp vách n lớp
2 2
n 1
i 1 i 1
1
cyl
r
1r
rlnr
1
2k
D
O
D
S
)K.m(
gọi là hệ số truyền nhiệt của vách trụ n lớp
Trang 19Nhiệt lượng trao đổi với vách trụ có chiều dài L
tf 1 tf 2L
kqL
D
S
D
S
k 1
i 1 i 1
1 k
1 1 1
f 1 1 1
f 1
rrlnL2
Qt
t
r.2
1q
tr
.2
1L
Qt
(2-71)
IV DẪN NHIỆT QUA VÁCH CẦU
1 Trường Hợp Vách Cầu Một Lớp
Xét vách cầu 1 lớp như hình bên dưới
Phương trình 2-24 được viết lại như sau:
0dr
dtrdr
1 1
trt
trt
(2-73) Tích phân phương trình 2-72 ta được nghiệm:
2 1 2 1
Cr
Ct
r
Cdrdt
(2-74)
Trang 20Thế điều kiện biên 2-73, hằng số C1, C2 tìm từ hệ sau
1 2
2 1
1 1
Cr
Ct
Cr
Ct
1 1 2 2 2
2 1 1 2
1 2 1
rr
trtrC
ttrr
rrC
Thế vào phương trình trường nhiệt độ
1 1 2 2 2 1 1 2
1 2
rr
trtrr
ttrr
rrrt
ttrr4
r
Cr.4dr
dtFQ
1 2
2 1 1 2
2 1 2 sphere
S
S
O
O
lượngnăngthiênbiếnvách
radẫn
lượngnhiệtvách
vào
dẫn
lượngnhiệt
Dẫn nhiệt ổn định 0
d
dE Wo
Nhiệt dẫn qua vách cầu xác định như sau
dr
dtF
1
t t r
r
2 sphere
dtr
dr4
Q
(2-79)
Ta được cùng kết quả như phương trình 2-76
1 2
2 1 1 2 sphere
rr
ttrr4Q
R
tt
Với nhiệt trở Rsph
1 2
1 2 sph
rr4
rrR
O
S
Trang 21Lưu ý: Nhiệt lượng truyền qua tại hai bề mặt bằng nhau
Nhưng mật độ dòng nhiệt khác nhau trên hai bề mặt:
1
Q
2 1
2 2
2 2
2 1
1 1
4
S
r4
3 4 2 3 2
2 3 1 2 1
1 2
4 1
4 1
rr
rrrr
rrrr
rr
tt4
RRR
ttQ
3 2 1
O
O
O
Trường hợp vách cầu có n lớp
Nhiệt lượng truyền qua vách trụ n lớp:
S
n 1
i i i 1 i
i 1 i
1 n 1
rr
rr
tt4
S
1
i i i 1 i
i 1 i 1
1 k
rr
rr4
Qt
Trang 223 Trao Đổi Nhiệt Giữa Hai Lưu Chất Qua Vách Cầu
Ta xét trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu ở vách cầu
W,R
tt)r4(1
tt
W,ttr.4
W,ttFQ
f w 2
f w
f w 2
f w
D
D
D
S
D
S
D
r4
1
R nhiệt trở đối lưu của vách cầu ở bán
kính r, K W
Xét vách cầu như hình sau
Trong trường hợp dẫn nhiệt ổn định, ta có
QQQ
QD1 O D2
Ta có hệ phương trình từ sơ đồ mạng nhiệt trở
2 f 1 f sph 2 2 2 1 2
1 2 1 2 1
2 f 1 f
2 1
2 f 1 f 2
2 f 2 2 1 1
1 1 f
2
2 f 1 1
2 1 f 1
1 1 f
ttkr
1r
r
rrr
1
tt4
RRR
ttR
ttR
ttR
tt
RR
ttRR
ttR
ttQ
D
O
D
S
O D
D O O D D
(2-86)
Trường hợp vách n lớp
2 2 2
n 1
i i i 1 i
i 1 i 1
2 1
sph
r
1r
r
rrr
1
4k
D
S
D
S
k 1
i i i 1 i
i 1 i 1
1 k
1 2 1 1
f 1
rr
rr4
Qtt
r.4
Qt
t
(2-88)
Trang 23V TRƯỜNG HỢP HỆ SỐ DẪN NHIỆT PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ
Hệ số dẫn nhiệt là hàm phụ thuộc nhiệt độ, khi sự thay
đổi ít thì có thể bỏ qua và xem như hằng số, là các trường
hợp mà ta đã xét ở trên
Khi sự thay đổi lớn thì phải xét luôn cả sự thay đổi này
Ta xét trường hợp vách phẳng dẫn nhiệt ổn định, không
có nguồn nhiệt bên trong, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt
lượngnăngthiênbiếnvách
radẫn
lượngnhiệtvách
vào
dẫn
lượngnhiệt
W
d
dEQ
Qvào ra
Do dẫn nhiệt ổn định nên
constQ
0d
dE
ra vào
oW
Theo định luật Fourier
dx
dtFt
Q O hay dx t dt
F
Q
O
FQ
dtt
Biểu thức 2-90 được viết lại
t
t tb
tt
dtt
1
2
O
1 2 t
t 1 2
1 2 sphere
2 1 tb 1 2 t
t 1 2 cylinder
ttr
r
rr4dttr
r
rr4Q
ttr
rln
L2dttr
rln
L2Q
S
O
S
O
S
O
S
³
³
Nhận xét: Khi hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ, ta
vẫn sử dụng biểu thức cho trường hợp hệ số dẫn nhiệt hằng số
Thay O bằng Otb tính theo 2-92
Trang 24Thông thường hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu phụ
thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ tuyến tính:
1 t
o EO
t
t 2 1
2
tt1dt
ttt
O
Ví dụ: Xác định phân bố nhiệt độ trong vách phẳng
Theo định luật Fourier
dx
dtFt
Q O Nếu Q phân bố đồng đều trên diện tích F
o Thế nhiệt lượng bằng mật độ dòng nhiệt
o Tách biến và tích phân phương trình trên
xq
dttdx
q
2 1 1
o
t t x
E
O
o
O
Phương trình phân bố nhiệt độ trong vách có dạng:
xq2t
11t
rE
C (2.96) Dấu “+” hoặc “-” chọn sao cho tt1yt2
Hình dưới đây biểu diễn sự phân bố nhiệt độ trong vách khi O phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ tuyến tính
(phương trình trên giả sử chọn dấu “+”)
...2< /small>
2 f 2< /small>
2 f f 2< /small>
2< /small>
3 2< /small>
2< /small>
3 3
2 2...
2 f 2< /small>
3 1
2 1
1 f
2< /small>
2 f 2< /small>
2 f 2 1
2. ..
Phương trình 2- 2 4 viết lại sau:
0dr
dtrdr
1 1
trt
trt
( 2- 7 3) Tích phân phương trình 2- 7 2 ta nghiệm:
2 1
Cr