Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 5: Toả nhiệt đối lưu tự nhiên. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm chung, tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng, toả nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM CHƯƠNG TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIEÂN Khái niệm chung Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian rộng Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian hẹp Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Khái niệm chung Quá trình toả nhiệt đối lưu tự nhiên gặp phổ biến kỹ thuật hoạt động sống người: Ví dụ: – trình giải nhiệt cho thiết bị điện tử, – transistor công suất, mạch điện tử, – xạ nhiệt, – làm nguội vật đúc, – hệ thống lạnh ứng dụng cho dàn lạnh, thiết bị ngưng tụ, bay … – trình tỏa nhiệt vật thể đặt tự nhiên, – tỏa nhiệt thể người… Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Cơ chế chuyển động trình Dòng khí ấm Dòng khí lạnh Vật thể nóng • Động lực chuyển động gây nên ∆ρ = ρw - ρf • ∆ρ laø ∆t = tw - tf Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Hệ số toả nhiệt ( q , W / m2K α= tw − tf ) Trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố: α = f (t w , t f , ω, λ, ρ, µ, C p , φ, δ, ) ω λ µ φ δ Tốc độ chuyển động lưu chất, m/s Hệ số dẫn nhiệt lưu chất, W/mK Hệ số nhớt động lực học, N.s/m2 Hình dáng hình học Kích thước tính toaùn, m ……… Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Tìm hệ số toả nhiệt α trình đối lưu tự nhiên Toả nhiệt đối lưu tự nhiên phân làm loại • Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian rộng • Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian hẹp Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian rộng: Khảo sát vách phẳng nóng làm nguội cách nhúng vào bể chứa lưu chất lỏng yên lặng tw Biên dạng nhiệt độ to Biên dạng vận tốc Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên bề mặt phụ thuộc: • Hình dáng hình học bề mặt vị trí hướng đặt bề mặt • Nhiệt độ bề mặt • Đặc tính nhiệt vật lý dòng lưu chất Lớp biên tw Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Theo Tiêu chuẩn Grashof: số hạng biểu diễn tỷ số lực nâng lực ma sát tác động dòng lưu chất Chế độ dòng chảy đối lưu tự nhiên chịu tác động số không thứ nguyên Gr: gβl3∆t Gr ≡ ν2 Với g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 β: hệ số giãn nở nhiệt, 1/K (đối với khí lý tưởng β=1/T) tw: nhiệt đô bề mặt vách t0: nhiệt độ dòng lưu chất l: chiều dài hình học tương đương, m ν: độ nhớt động học lưu chất, m2/s Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Số Gr tiêu chuẩn để xác định dòng lưu chất chế độ chảy tầng hay chảy rối trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên Ví dụ: phẳng đặt đứng, số Gr tới hạn xác định khoảng 109 dòng lưu chất chảy rối số Gr lớn giá trị tới hạn 109 Qua phân tích liệu thực nghiệm Tương quan thực nghiệm cho số hạng Nu trung bình toả nhiệt đối löu αl n Nu = = C(Gr Pr ) = C.Ra n λ Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Nu = C(Gr Pr ) = C.Ra n n αl Nu = λ gβl3 ∆t Gr = ν2 Giá trị nhiệt độ trung bình tính toán: ν Pr = a t tb = 12 ⋅ (t w + t f ) (từ ttb tra thông số vật lý λ, ν, Pr) Lưu chất lỏng giọt: β tra bảng Lưu chất khí (hơi): β = 1/ T = 1/ (ttb + 273) , 1/K Kích thước tính toán: – Vách đứng, ống đứng: chọn chiều cao l =H – Ống nằm ngang: chọn đường kính l = d – Tấm phẳng đặt nằm ngang: chọn kích thước ngắn Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Từ thực nghiệm xác định hệ số C n theo bảng Trạng thái chuyển động Ra C n Chảy màng < 0,001 0,5 Chảy độ (từ màng sang tầng) 0,001 ÷ 500 1,18 1/8 Chảy tầng 500 ÷ 2.107 0,54 1/4 Chảy rối 2.107 ÷ 1013 0,135 1/3 10 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trường hợp đặc biệt: Đối với phẳng đặt nằm ngang Từ thực nghiệm xác định hệ số C n theo bảng C Ra = Gr.Pr n Bề mặt nóng Bề mặt nóng hướng lên hướng xuống < 0,001 0,65 0,35 0,001 ÷ 500 1,53 0,83 1/8 500 ÷ 2.107 0,7 0,38 1/4 2.107 ÷ 1013 0,176 0,095 1/3 11 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Ví dụ 1: Xét đường ống dẫn nước nóng dài L = 6m, đường kính D = 8cm đặt nằm ngang qua phòng rộng có nhiệt độ phòng t0 = 18oC Nhiệt độ bề mặt ống tw = 70oC Hãy xác định lượng nhiệt tổn thất qua ống trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên? 12 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Ví dụ 2: Xét phẳng hình vuông có kích thước 0,6 x 0,6m đặt gian phòng có nhiệt độ t0 = 30oC Một bề mặt phẳng trì nhiệt độ 74oC, mặt bên cách nhiệt Hãy xác định lượng nhiệt trao đổi từ phẳng môi trường đối lưu tự nhiên qua trường hợp sau: a) Tấm phẳng đặt đứng b) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng lên c) Tấm phẳng đặt nằm ngang với bề mặt nóng hướng xuống 13 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian heïp: 14 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Coù thể xem trình tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên không gian kín trình dẫn nhiệt ổn định qua lớp lưu chất (có xét đến toả nhiệt đối lưu) Q conv T1 − T2 = λ tđ ⋅ F ⋅ δ Hệ số dẫn nhiệt tương đương: λtđ λ tđ = ε tđ λ 15 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Xác định εtđ: • Kích thước định: l = δ • Nhiệt độ tính toán: t = 0,5(tw1 + tw2) • Tính số Gr: gβl3 ( t w1 − t w ) Gr = ν2 Theo số liệu thực nghiệm: Gr.Pr < 103 εtñ = Gr.Pr ≥ 103 εtñ = 0,18(Gr.Pr)0,25 λ tđ = ε tđ λ Q conv t w1 − t w = λ tđ ⋅ F ⋅ δ 16 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Ví dụ 3: Xét cửa sổ cao 0,8m, rộng 2m loại cửa sổ kép hai lớp kính Giữa hai lớp kính lớp không khí có bề dày 2cm, Nhiệt độ hai bề mặt kính đo 12oC 2oC Hãy xác định lượng nhiệt truyền qua cửa soå 17 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Tài liệu tham khảo: Hồng Đình Tín, truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 Nguyễn Tồn Phong, Bài Giảng mơn học truyền nhiệt, Trường Đại học Bách Khoa TpHCM J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill 18 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM HẾT CHƯƠNG 19 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... nóng hướng lên hướng xuống < 0,001 0, 65 0, 35 0,001 ÷ 50 0 1 ,53 0,83 1/8 50 0 ÷ 2.107 0,7 0,38 1/4 2.107 ÷ 1013 0,176 0,0 95 1/3 11 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt... n Chảy màng < 0,001 0 ,5 Chảy độ (từ màng sang tầng) 0,001 ÷ 50 0 1,18 1/8 Chảy tầng 50 0 ÷ 2.107 0 ,54 1/4 Chảy rối 2.107 ÷ 1013 0,1 35 1/3 10 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com... Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Toả nhiệt đối lưu tự nhiên không gian heïp: 14 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành