CHƯƠNG 1 TRUYỀN NHIỆT P3

6/16/2017 1.2. Nhiệt đối lưu  Dẫn nhiệt chủ yếu xảy bên vật rắn  Trong trường hợp chất lỏng chất khí, phương thức truyền nhiệt chủ yếu đối lưu nhiệt 17 16/06/17 6/16/2017 1.2. Nhiệt đối lưu  Nhiệt đối lưu có loại: • Đối lưu tự nhiên • Đối lưu cưỡng 18 16/06/17 1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton  Định luật: lượng nhiệt dQ nguyên tố bề mặt dF vật thể có nhiệt độ tT cấp cho mơi trường xung quanh có nhiệt độ t khoảng thời gian d tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ vật thể môi trường với dF d J o tT: nhiệt độ bề mặt vật thể, oC o t: nhiệt độ môi trường xung quanh, oC o : hệ số cấp nhiệt W/m2.K  Nếu trình cấp nhiệt ổn định W 19 16/06/17 6/16/2017 1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton  Hệ số cấp nhiệt  lượng nhiệt đơn vị diện tích bề mặt tường (vách) cấp cho mơi trường xung quanh hay ngược lại nhận từ môi trường xung quanh (mơi trường chất lỏng hay chất khí) trong đơn vị thời gian chênh lệch nhiệt độ bề mặt tường môi trường chất lỏng hay chất khí độ • Đơn vị hệ số cấp nhiệt  • Hệ số cấp nhiệt đại lượng phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính chất chất lỏng hay khí như: độ nhớt, khối lượng riêng, đặc tính chuyển động, nhiệt độ, nhiệt dung riêng… 20 16/06/17 1.2.2. Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu  Sinh viên xem giáo trình 21 16/06/17 6/16/2017 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Để xác định hệ số cấp (hay tỏa) nhiệt dùng phương pháp sau: • Phương pháp giải tích hay gọi phương pháp vật lý – tốn • Phương pháp thực nghiệm 22 16/06/17 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Phương pháp giải tích • Để xác định hệ số tỏa nhiệt phương pháp giải tích ta cần viết phương trình hệ phương trình vi phân miêu tả cho trình giải phương trình hệ phương trình vi phân kết hợp với điều kiện đơn trị • Việc xác định hệ số tỏa nhiệt giải tích bị hạn chế Sự hạn chế việc thiết lập giải phương trình hệ phương trình vi phân mà chỗ để có nghiệm xác điều kiện đơn trị tốn đưa vào phải đầy đủ • Việc đưa đầy đủ điều kiện đơn trị vào để giải tốn vấn đề khó, đặc biệt trường hợp phức tạp • Vì phương pháp giải tích dùng cho số trường hợp đơn giản 23 16/06/17 6/16/2017 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Phương pháp thực nghiệm • Để xác định thực nghiệm, ta cần xây dựng thí nghiệm để đo số đại lượng cần thiết từ xác định  Nhưng phương pháp kết đo tượng thí nghiệm, số thí nghiệm phải thực lớn • Để mở rộng kết thực nghiệm cần sử dụng lý thuyết đồng dạng nhiệt 24 16/06/17 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Quá trình truyền nhiệt đối lưu đặc trưng hệ phương trình, gồm phương trình dòng liên tục, phương trình vi phân cấp nhiệt Fourie R.Kirchkoff, phức tạp Vậy để giải phương trình ta phải dựa vào thuyết đồng dạng  Dựa vào phương trình vi phân cấp nhiệt thuyết đồng dạng ta rút chuẩn số đồng dạng, ta rút phương trình chuẩn số cho trình cấp nhiệt  Lý thuyết đồng dạng (sinh viên xem giáo trình) 25 16/06/17 6/16/2017 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Trong trao đổi nhiệt đối lưu ổn định ta thường gặp chuẩn số đồng dạng sau: • Chuẩn số Nusselt (Nu) o Đặc trưng cho trình cấp nhiệt bề mặt phân giới • Chuẩn số Reynolds (Re) o Đặc trưng cho truyền nhiệt đối lưu cưỡng 26 16/06/17 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Trong trao đổi nhiệt đối lưu ổn định ta thường gặp chuẩn số đồng dạng sau: • Chuẩn số Prandtl (Pr) o Đặc trưng cho tính chất vật lý mơi trường • Chuẩn số Grashoff (Gr) o Đặc trưng cho truyền nhiệt đối lưu tự nhiên Δ • Chuẩn số Rayleigh (Ra) 27 16/06/17 6/16/2017 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Trong chuẩn số nêu trên, chuẩn số Nusselt chứa đại lượng cần tìm hệ số cấp nhiệt nên gọi chuẩn số cần xác định Các chuẩn số lại chuẩn số xác định Vì hệ số cấp nhiệt  phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên cần tìm mối quan hệ chuẩn số Nusselt chuẩn số khác  Phương trình nêu lên mối quan hệ chuẩn số cần xác định chuẩn số xác định gọi phương trình chuẩn số  Phương trình tổng quát trình cấp nhiệt , ,  Nếu phương trình cấp nhiệt xảy đối lưu cưỡng ta bỏ qua chuẩn số Gr  Nếu phương trình cấp nhiệt xảy dòng đối lưu tự nhiên ta bỏ qua chuẩn số Re 28 16/06/17 1.2.3. Đồng dạng nhiệt, phương trình chuẩn số về cấp nhiệt  Đối với chất khí, biến đổi Pr theo nhiệt độ ít, nghĩa Pr=const nên Nu khơng biến đổi theo Pr  Hai tượng đồng dạng với tiêu chuẩn đồng dạng tên có giá trị nhau, có nghĩa hai tượng biểu diễn phương trình tiêu chuẩn  Vì tiến hành thí nghiệm để xác định hệ số tỏa nhiệt trường hợp kết thí nghiệm cần tổng qt hóa dạng phương trình tiêu chuẩn phương trình sử dụng cho tượng đồng dạng với tượng thí nghiệm 29 16/06/17 6/16/2017 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên khơng gian rộng lớn o Công thức Mikhêep Nhiệt độ xác định tm=0,5.(tT+t) Các hệ số C n chọn theo bảng sau Trạng thái chuyển động Ra C n < 10‐3 0,5 Quá độ từ màng sang tầng 10‐3÷5.102 1,18 1/8 Chảy tầng 5.102÷2.107 0,54 1/4 Chảy rối 2.107÷1013 0,135 1/3 Trạng thái màng 30 16/06/17 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên khơng gian rộng lớn o Cơng thức Mikhêep Có thể dùng công thức cho trường hợp mặt phẳng nằm ngang bị đốt nóng › Từ dưới: phải tăng kết tính thêm 30% › Từ trên: phải giảm kết tính 30% Riêng khơng khí / 0,47 Kích thước xác định chiều cao H tường đứng 31 16/06/17 6/16/2017 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt khơng kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên không gian rộng lớn o Công thức Mikhêep Ví dụ: Nước nóng chuyển động ống đứng để trần, tính tổn thất nhiệt tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên gây nên Biết đường kính ống 50mm, chiều cao ống 3m, nhiệt độ bề mặt ngồi ống 90oC, nhiệt độ khơng khí xung quanh 10oC 32 16/06/17 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt khơng kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên không gian hữu hạn (hẹp) o Hiện tượng truyền nhiệt xảy phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố q trình đặc tính không gian Chẳng hạn tỷ số H/  xem khoảng khơng gian rộng lớn, dòng lên dòng xuống khơng ảnh hưởng o Mikhêep dùng khái niệm “độ dẫn nhiệt tương đương” tđ hệ số đối lưu  sau: đ Ra < 1000 33  = 1 Ra = 103÷106 0,105 Ra = 106÷1010 0,4 , , 16/06/17 6/16/2017 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt không kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên khơng gian hữu hạn (hẹp) o Với Ra>1000 tính gần , 0,18 o Nhiệt lượng dẫn qua khe đ Δ Δ o Đối với khe không khí dùng cơng thức Exkert 0,119 , o Kích thước xác định khoảng cách tấm, nhiệt độ xác định nhiệt độ trung bình bề mặt 34 16/06/17 1.2.4. Các cơng thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt khơng kèm biến đổi pha • Đối lưu tự nhiên khơng gian hữu hạn (hẹp) o Ví dụ: Tìm hệ số dẫn nhiệt tương đương khe hẹp khơng khí phẳng đặt nằm ngang tạo nên Chiều dày khe hẹp 25mm, nhiệt độ bề mặt nóng 150oC, nhiệt độ bề mặt lạnh 50oC 35 16/06/17 10 6/16/2017 1.2.4. Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt khơng kèm biến đổi pha • Đối lưu nhiệt cưỡng o Lưu chất chuyển động ống, rãnh Chảy rối › Ống thẳng 0,021 , , , › Nhiệt độ xác định nhiệt độ trung bình lưu chất › Kích thước xác định đường kính tương đương ống iu kin ỏp dng: ng trũn, vuụng, tam giỏc, ng lng ng vi d2/d1 = 1,5 ữ 5,6; khe h a/b = 1 ữ 40 • Re = 104 ÷5.106; L/d  50; Pr = 0,6 ÷ 2500 36 16/06/17 1.2.4. Các cơng thức thực nghiệm về cấp nhiệt A Sự cấp nhiệt khơng kèm biến đổi pha • Đối lưu nhiệt cưỡng o Lưu chất chuyển động ống, rãnh Chảy rối › Đối với chất khí Pr/PrT  › Khi L/d