Bài giảng môn học nhiệt động kỹ thuật

PHẦN II CƠ SỞ TRUYỀN NHỆT NỘI DUNG CHƯƠNG IV: TRAO ĐỔI NHIỆT DẪN NHIỆT CHƯƠNG V : TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU CHƯƠNG VI : TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ CHƯƠNG VII: TRAO ĐỔI NHIỆT HỖN HỢP PHẦN II CƠ SỞ TRUYỀN NHỆT CHƯƠNG IV: DẪN NHIỆT I.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Khái niệm dẫn nhiệt - Dẫn nhiệt trình trao đổi nhiệt phần vật hay vật có nhiệt độ khác chúng tiếp xúc với Ví dụ: Cầm sắt đầu đốt nóng, sau thời gian đầu sắt ta cầm thấy nóng - Q trình dẫn nhiệt xảy vật rắn (dẫn nhiệt túy), chất lỏng chất khí CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trường nhiệt độ  Định nghĩa: Là tập hợp giá trị nhiệt độ điểm khác không gian khảo sát thời điểm  PT tổng quát trường nhiệt độ: t = f(x, y, z, ) 2.1 Phân loại trường nhiệt độ - Ổn định: Không thay đổi theo thời gian  Dẫn nhiệt ổn định + t = f(x, y, z): Trường nhiệt độ ổn định ba chiều + t = f(x, y): Trường nhiệt độ ổn định hai chiều + t = f(x): Trường nhiệt độ ổn định chiều CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trường nhiệt độ 2.1 Phân loại trường nhiệt độ - Không ổn định: Nhiệt độ phụ thuộc thời gian  Dẫn nhiệt không ổn định + t = f(x, y,z, ): Trường nhiệt độ không ổn định ba chiều + t = f(x, y, ): Trường nhiệt độ không ổn định hai chiều + t = f(x, ): Trường nhiệt độ không ổn định chiều CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mặt đẳng nhiệt - Là mặt chứa tất điểm có giá trị nhệt độ thời điểm t + t t - Đặc điểm: + Các mặt đẳng nhiệt khơng cắt + Chúng mặt cong khép kín hay kết thúc biên vật CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Gradien nhiệt độ - Gradien nhiệt độ đại lượng vectơ có phương vng góc với mặt đẳng nhiệt, có chiều dương chiều tăng nhiệt độ có độ lớn đạo hàm riêng nhiệt độ theo phương pháp tuyến mặt đẳng nhiệt t t Gradt  lim  , n n n 0 - Đặc điểm: n K/m n x t + t x t + Gradient nhiệt độ đặc trưng cho độ tăng nhiệt độ + Theo phương pháp tuyến tốc độ thay đổi nhiệt độ lớn CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt 5.1 Mật độ dòng nhiệt - Là lượng nhiệt truyền qua đơn vị điện tích bề mặt đẳng nhiệt vng góc với hướng truyền nhiệt đơn vị thời gian - Ký hiệu là: q (W/m2) - Đặc diểm: Mật độ dòng nhiệt đại lượng vectơ có hướng trùng với hướng gradient nhiệt độ, chiều dương chiều giảm nhiệt độ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt 5.2 Dòng nhiệt - Là lượng nhiệt truyền qua tồn điện tích bề mặt đẳng nhiệt đơn vị thời gian - Ký hiệu là: Q (W)  Mối quan hệ Q q: - Dịng nhiệt ứng với đơn vị diện tích dF : - Dịng nhiệt ứng với tồn diện tích F : - Khi q = const : dQ = qdF Q = ∫qdF Q = qF I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các yếu tố ảnh hưởng đến TĐNĐL 2.1 Nguyên nhân gây chuyển động: Có dạng + Chuyển động cưỡng bức: - Trong chuyển động cưỡng ln có chuyển động tự nhiên Nếu cường độ chuyển động cưỡng lớn → bỏ qua ảnh hưởng chuyển động tự nhiên - Trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng với chuyển động cưỡng gọi TĐNĐL cưỡng I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các yếu tố ảnh hưởng đến TĐNĐL 2.2 Chế độ chuyển động: Gồm chế độ + Chế độ chảy tầng: - Chế độ chảy mà phần tử chất lỏng, khí có quỹ đạo song song với chuyển động với hướng dòng + Chế độ chảy rối: - Chế độ chảy mà quỹ đạo phần tử chất lỏng hay chất khí khơng tn theo quy luật xác định I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các yếu tố ảnh hưởng đến TĐNĐL 2.2 Chế độ chuyển động: l  Tiêu chuẩn Reynold: Re   Trong đó:  : Tốc độ chuyển động, m/s; l : Kích thước xác định, m : Độ nhớt động học, m2/s Trị số Re tương ứng với chế độ chuyển động từ chảy tầng sang chảy sối gọi Re tới hạn Ví dụ: Chất lỏng chất khí chuyển động ống, Re tới hạn = 2300, đó: Re < 2300 -> Chế độ chảy tầng Re > 2300 -> Chế độ chảy rối I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các yếu tố ảnh hưởng đến TĐNĐL 2.3 Tính chất vật lý chất lỏng hay chất khí Quá trình TĐNĐL phụ thuộc nhiều vào tính chất vật lý chất lỏng hay chất khí: + Khối lượng riêng (mật độ)  + Nhiệt dung riêng Cp + Hệ số dẫn nhiệt  + Hệ số dẫn nhiệt độ a + Độ nhớt động học ν + Độ nhớt động lực  + Hệ số giãn nở thể tích  I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các yếu tố ảnh hưởng đến TĐNĐL 2.4 Hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt Hình dáng, kích thước, vị trí vách rắn khác dẫn tới cường độ trao đổi nhiệt khác Ví dụ: + Trao đổi nhiệt phẳng đặt đứng với chất lỏng, chất khí chuyển động khác với TĐN ống hay dây đặt đứng + Trao đổi nhiệt phẳng đặt đứng khác TĐN phẳng đặt nằm ngang … II CÔNG THỨC NEWTON & CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU Công thức Newton - Biểu thức tính lượng nhiệt trao đổi bề mặt vách chất lỏng hay chất khí: (W/m2) q   t  t  w f Q  q.F  F  t  t w f  (W) Trong đó: q: Mật độ dịng nhiệt, W/m2 Q: Dịng nhiệt, W F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 tw: Nhiệt độ bề mặt vách, 0C tf: Nhiệt độ chất lỏng xa bề mặt vách, 0C α: Hệ số toả nhiệt, W/m2K II CÔNG THỨC NEWTON & CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU Công thức Newton Q  F t  t - Rút biểu thức hệ số tỏa nhiệt: w f   : Lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích bề mặt đơn vị thời gian độ chênh nhiệt độ bề mặt vách chất lỏng (khí) độ - Hệ số toả nhiệt phụ thuộc vào nhiều nhân tố   f   , c,  , , a,  ,  , t , t ,  w f II CÔNG THỨC NEWTON & CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU Các PP xác định hệ số toả nhiệt : có PP + Phương pháp giải tích hay cịn gọi PP vật lý – tốn Tìm  cách thiết lập giải hệ phương trình vi phân mơ tả q trình → Việc khó giải vài trường hợp đơn giản + Phương pháp thực nghiệm Bằng thực nghiệm gián tiếp xác định  thơng qua đo mật độ dịng nhiệt q hiệu nhiệt độ (tw - tf)   q t  t w f  Bằng PP này, trị số  cho trường hợp làm thí nghiệm III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Điều kiện đồng dạng - Hai tượng vật lý đồng dạng với chúng có chất vật lý mơ tả phương trình hệ phương trình vi phân giống  Định lý 1: - Hai tượng đồng dạng với tiêu chuẩn đồng dạng tên có giá trị - Tiêu chuẩn đồng dạng tổ hợp không thứ nguyên số đại lượng vật lý đặc trưng cho tượng tiêu chuẩn rút từ điều kiện đơn trị có giá trị đơi đồng dạng với III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Điều kiện đồng dạng  Định lý 2: Nếu tượng vật lý miêu tả hệ phương trình vi phân ln ln mơ tả tượng vật lý dạng phương trình tiêu chuẩn  Định lý 3: Các tượng có điều kiện đơn trị đồng dạng tiêu chuẩn rút từ điều kiện đơn trị có giá trị đơi đồng dạng với III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Các TCĐD toả nhiệt đối lưu: TC + Tiêu chuẩn Nusselt: Đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt  l đối lưu Nu   + Tiêu chuẩn Reynold: Là tỉ số lực quán tính lực nhớt, xác định đặc tính chuyển động chất lỏng hay khí Re   l  + Tiêu chuẩn Grashoff: Đặc trưng cho tỉ số lực nâng gây độ chênh mật độ lực ma sát g  l t Gr   + Tiêu chuẩn Prandtl: Xác định tính chất vật lý chất lỏng  hay chất khí Pr  a III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Các TCĐD toả nhiệt đối lưu Trong đó:  : Hệ số toả nhiệt, W/m2K  : Độ nhớt động học, m2/s a : Hệ số dẫn nhiệt độ, m2/s l : Kích thước xác định, m Δt: Độ chênh nhiệt độ,  : Tốc độ chất lỏng, m/s g : Gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2)  : Hệ số giãn nở thể tích, 1/K λ : Hệ số dẫn nhiệt, W/mK - Đối với chất lỏng  tra bảng - Đối với chất khí  = 1/T III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Các TCĐD toả nhiệt đối lưu - Kích thước xác định: Kích thước đặc trưng cho trình trao đổi nhiệt Tuỳ trường hợp mà kích thước xác định chọn khác Ví dụ: Khi trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên ống đặt đứng, kích thước xác định chiều cao ống - Nhiệt độ xác định: Nhiệt độ người nghiên cứu chọn để tra tính chất nhiệt vật lý chất lỏng hay chất khí như: , , , , a Vì chúng thơng số phụ thuộc nhiệt độ III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Phương trình tiêu chuẩn - Hai tiêu chuẩn đồng dạng: + Tiêu chuẩn xác định: Chỉ chứa đại lượng biết đặc trưng cho tượng (Re,Gr, Pr…) + Tiêu chuẩn không xác định: Xác định đại lượng đặc trưng cho tượng có đại lượng chưa biết (Nu…) - Phương trình tiêu chuẩn: Mối quan hệ tiêu chuẩn xác định tiêu chuẩn không xác định Tiêu chuẩn Nusselt chứa đại lượng chưa biết hệ số tỏa nhiệt , tiêu chuẩn khơng xác định, cịn tiêu chuẩn khác tiêu chuẩn xác định III TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Phương trình tiêu chuẩn - Dạng tổng quát phương trình tiêu chuẩn : Nu = f(Re, Pr, Gr,…) Trong tính tốn trao đổi nhiệt đối lưu PT có dạng: Nu = C.Rem Prn Grp… Trong đó: C, m, n, p: Là số xác định thực nghiệm Mơi trường chất khí: Pr = const Nu = C.Rem Grp đối lưu tự nhiên: Nu = C.Grp ... chuyển động: Có dạng + Chuyển động cưỡng bức: - Trong chuyển động cưỡng ln có chuyển động tự nhiên Nếu cường độ chuyển động cưỡng lớn → bỏ qua ảnh hưởng chuyển động tự nhiên - Trao đổi nhiệt đối... đặc trưng cho độ tăng nhiệt độ + Theo phương pháp tuyến tốc độ thay đổi nhiệt độ lớn CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt 5.1 Mật độ dòng nhiệt - Là lượng nhiệt truyền qua đơn vị... CƠ BẢN Mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt 5.2 Dịng nhiệt - Là lượng nhiệt truyền qua tồn điện tích bề mặt đẳng nhiệt đơn vị thời gian - Ký hiệu là: Q (W)  Mối quan hệ Q q: - Dòng nhiệt ứng với đơn