V. TR LI CÁC CÂU HI CHUN BẢ Ị
BÀI 4 TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG I C S LÝ THUY T Ơ ỞẾ
1. Các thông s c b nố ơ ả B ng các ký hi u và đ n vả ệ ơ ị Tên Ký hi uệ Đ n v (và th nguyên)ơ ị ứ Nhi t đệ ộ T 0C, K, F Đ m tộ ẩ ương đ i, đ ch a h iố ộ ư ơ ϕ, D %, kg m/kgẩ Áp su tấ P at, mmHg, kgf/cm2 Nhi t lệ ượng Q kj
Nhi t dung riêng đ ng ápệ ẳ Cp j/kg.đ .kcal/kgđộ ộ
Hàm nhi tệ H, I kj/kg
H s d n nhi tệ ố ẫ ệ Λ W/m.đ , kcal/m.h.độ ộ
H s c p nhi t, truy n nhi tệ ố ấ ệ ề ệ
α, K W/m 2.độ Di n tích truy n nhi tệ ề ệ F m 2 Đ nh t đ ng l c h cộ ớ ộ ự ọ µ N.s/m 2, kgf.s2/m2 Đ nh t đ ng h cộ ớ ộ ọ γ m2/s L u lư ượng kh i lố ượng G kg/s S ng truy n nhi tố ố ề ệ N Ống Bướ ốc ng S M L u lư ượng th tíchể V m3/s Công W j T c đố ộ ω m/s
Chu n s Nusseltẩ ố Nu αL/λ (L:chi u dài)ề
Chu n s Reynoldẩ ố Re ωL/γ
Chu n s Prandtlẩ ố Pr γ/a
a. Truy n nhi tề ệ
Truy n nhi t là m t quá trình ph c t p x y ra đ ng th i b i 3 d ng trao đ iề ệ ộ ứ ạ ả ồ ờ ở ạ ổ
nhi t c b n nh : trao đ i nhi t b ng d n nhi t, trao đ i nhi t b ng đ i l uệ ơ ả ư ổ ệ ằ ẫ ệ ổ ệ ằ ố ư
nhi t và trao đ i nhi t b ng b c x nhi t.ệ ổ ệ ằ ứ ạ ệ b. Chi u quá trìnhề
Trong t nhiên quá trình truy n nhi t ch x y ra theo m t chi u t n i có nhi tự ề ệ ỉ ả ộ ề ừ ơ ệ
đ cao t i n i có nhi t đ th p.ộ ớ ơ ệ ộ ấ c. Ch t t i nhi tấ ả ệ
Ch t t i nhi t là ch t mang nhi t t n i này t i n i khác, t môi trấ ả ệ ấ ệ ừ ơ ớ ơ ừ ường này t iớ
môi trường khác theo quy lu t t nhiên.ậ ự d. Truy n nhi t tr c ti pề ệ ự ế
Truy n nhiêt tr c ti p là quá trình truy n nhi t mà ch t t i nhi t ti p xúc tr cề ự ế ề ệ ấ ả ệ ế ự
ti p v i v t li u.ế ớ ậ ệ
e. Truy n nhi t gián ti pề ệ ế
Truy n nhi t gián ti p là quá trình truy n nhi t mà ch t t i nhi t không ti p xúcề ệ ế ề ệ ấ ả ệ ế
tr c ti p v i v t li u mà thong qua v t ngăn.ự ế ớ ậ ệ ậ f. Truy n nhi t n đ nhề ệ ổ ị
Truy n nhi t n đ nh là quá trình truy n nhi t mà nhi t đ ch thay đ i theoề ệ ổ ị ề ệ ệ ộ ỉ ổ
không gian mà không thay đ i theo th i gian.ổ ờ g. Truy n nhi t không n đ nhề ệ ổ ị
Truy n nhi t không n đ nh là quá trình truy n nhi t mà nhi t đ thay đ i theoề ệ ổ ị ề ệ ệ ộ ổ
không gian và th i gian.ờ h. Trường nhi tệ
Trường nhi t đ c tr ng cho đ nóng c a v t là nhi t đ (t, [ệ ặ ư ộ ủ ậ ệ ộ 0C];T, [0K]). T p h pậ ợ
t t c nh ng giá tr nhi t đ c a v t ho c c a môi trấ ả ữ ị ệ ộ ủ ậ ặ ủ ường g i là trọ ường nhi t.ệ i. Nhi t trệ ường n đ nhổ ị
mà không thay đ i theo th i gian tổ ờ = f(x,y,z).
j. Nhi t trệ ường không n đ nhổ ị
Nhi t trệ ường không n đ nhổ ị là nhi t trệ ường mà nhi t đ thay đ i theo khôngệ ộ ổ
gian và th i gian.ờ k. M t đ ng nhi tặ ẳ ệ
M t đ ng nhi t là t p h p các đi m có nhi t đ b ng nhau. Quá trình d n nhi tặ ẳ ệ ậ ợ ể ệ ộ ằ ẫ ệ
không x y ra trên m t m t đ ng nhi t, mà ch d n nhi t t m t đ ng nhi t nàyả ộ ặ ẳ ệ ỉ ẫ ệ ừ ặ ẳ ệ
t i m t đ ng nhi t kia.ớ ặ ẳ ệ
3. Các quá trình truy n nhi tề ệ
Trong th c t quá trình truy n nhi t di n ra theo 3 phự ế ề ệ ễ ương th c truy n nhi t cứ ề ệ ơ
b n nh sau:ả ư a. D n nhi tẫ ệ
D n nhi t là s truy n nhi t năng t n i có nhi t đ cao đ n n i có nhi t đẫ ệ ự ề ệ ừ ơ ệ ộ ế ơ ệ ộ
th p. Do s truy n đ ng năng ho c dao đ ng va ch m vào nhau, nh ng không cóấ ự ề ộ ặ ộ ạ ư
s chuy n r i v trí gi a các phân t v t ch t. D n nhi t ch x y ra khi truy nự ể ờ ị ữ ử ậ ấ ẫ ệ ỉ ả ề
nhi t c a các ch t r n ho c truy n nhi t c a ch t l ng, ch t khí đ ng yên hayệ ủ ấ ắ ặ ề ệ ủ ấ ỏ ấ ứ
chuy n đ ng dòng.ể ộ
Đ nh lu t Fourien:ị ậ Xét trên m t m t ph ng có di n tích F có dòng nhi t d n quaộ ặ ẳ ệ ệ ẫ
thep phương vuông góc v i m t ph ng, đ nh lu t Fourien phát bi u nh sau:ớ ặ ẳ ị ậ ể ư
M t đ dòng nhi t truy n qua b ng phậ ộ ệ ề ằ ương th c d n nhi t theo phứ ẫ ệ ương qui đ nhị
t l thu n v i di n tích vuông góc v i phỉ ệ ậ ớ ệ ớ ương truy n và gradien nhi t đ theoề ệ ộ
phương y.ấ
(W/m2)
Trong đó: Qx: dòng nhi t truy n qua di n tích F (j/s).ệ ề ệ
qx: m t đ dòng nhi t (W/mậ ộ ệ 2).
F: di n tích b m t truy n nhi t vuông góc v i phệ ề ặ ề ệ ớ ương x (m2). : h s d n nhi t (W/m.đ ).ệ ố ẫ ệ ộ
v t li u.ậ ệ
− H s d n nhi t ph thu c vào áp su t, nhi t đ , v t li u, c u trúc v t li u.ệ ố ẫ ệ ụ ộ ấ ệ ộ ậ ệ ấ ậ ệ − H s d n nhi t c a ch t khí trong kho ng 0,006÷0,6 (W/m.đ ).ệ ố ẫ ệ ủ ấ ả ộ
− H s d n nhi t c a ch t l ng trong kho ng 0,07÷0,7 (W/m.đ ).ệ ố ẫ ệ ủ ấ ỏ ả ộ
− H s d n nhi t c a ch t r n ph thu c vào k t c u, đ x p và đ m c a v t li u.ệ ố ẫ ệ ủ ấ ắ ụ ộ ế ấ ộ ố ộ ẩ ủ ậ ệ
T đ nh lu t Fourien c b n ngừ ị ậ ơ ả ười ta đ a ra các d ng phư ạ ương trình truy n nhi t ề ệ
cho các trường h p c th .ợ ụ ể
D n nhi t c a dòng nhi t n đ nh qua tẫ ệ ủ ệ ổ ị ường ph ng: ẳ Ở trong ph n này, ta chầ ỉ
xét quá trình d n nhi t n đ nh – nhi t đ c a v t không bi n đ i theo th i gian.ẫ ệ ổ ị ệ ộ ủ ậ ế ổ ờ − M t l p: ộ ớ Nhi t lệ ượng truy n qua trong kho ng th i gian T (giây)ề ả ờ
N u ta mu n tìm nhi t đ t i m t v trí cách m t nhi t đ m t kho ng x:ế ố ệ ộ ạ ộ ị ặ ệ ộ ộ ả
Trong đó: : nhi t đ b m t tệ ộ ề ặ ường trái (oC). : nhi t đ b m t tệ ộ ề ặ ường ph i (ả oC).
F : di n tích b m t tệ ề ặ ường trái n i ti p xúc v i dòng nhi t nóng (mơ ế ớ ệ 2). : chi u dày c a tề ủ ường (m).
: h s d n nhi t, đ d n nhi t (W/m.ệ ố ẫ ệ ộ ẫ ệ oC).
− Nhi u l p: ề ớ Nhi t lệ ượng truy n qua trong kho ng th i gian T (giây)ề ả ờ
N u xét trong kho ng th i gian 1s:ế ả ờ
Trong đó: n: s l p v t li u.ố ớ ậ ệ
: nhi t tr c a tệ ở ủ ường (m2.s.oC/j).
M t đ dòng nhi t qua các l p (3 l p theo hình vẽ):ậ ộ ệ ớ ớ
Và nhi t đ cho vách th k là: ệ ộ ứ
Trong đó: k: vách th k theo chi u truy n nhi t.ứ ề ề ệ
k-1: s l p trố ớ ước vách k theo chi u truy n nhi t.ề ề ệ
n: s l p.ố ớ
D n nhi t n đ nh qua ng:ẫ ệ ổ ị ố
− M t l p: ộ ớ Nghiên c u quá trình d n nhi t qua vách tr ( ng) nhi t đ vách trong tứ ẫ ệ ụ ố ệ ộ 1, nhi t đ vách ngoài tệ ộ 2 không thay đ i. V t li u có h s d n nhi t không đ i. Ta cóổ ậ ệ ệ ố ẫ ệ ổ
phương trình d n nhi t nh sau: ẫ ệ ư
Trong đó: L: chi u dài c a ng (m)ề ủ ố
d1, d2: đường kính trong và ngoài c a ng (m)ủ ố
F: di n tích b m t trung bình (mệ ề ặ 2):
N u t s thì F đế ỉ ố ược tính b ng công th c sau:ằ ứ
Đ thu n l i cho vi c tính toán, ta tính: ể ậ ợ ệ
− Nhi u l p: ề ớ V i tớ ường hình ng có nhi u l p v t li u khác nhau: ố ề ớ ậ ệ
Trong đó: n: s l p.ố ớ
t1: nhi t đ vách trong (ệ ộ oC).
tn+1: nhi t đ vách ngoài cùng (ệ ộ oC).
b. Đ i l u nhi tố ư ệ
Nhi t đ i l u là s truy n nhi t mà các ph n t l ng ho c khí nh n nhi t r iệ ố ư ự ề ệ ầ ử ỏ ặ ậ ệ ồ
đ i ch cho nhau; s đ i ch do chênh l ch kh i lổ ổ ự ổ ổ ệ ố ượng riêng hay do các tác đ ngộ
c h c nh : b m, khu y… Quá trình to nhi t đ i l u x y ra khi có s trao đ iơ ọ ư ơ ấ ả ệ ố ư ả ự ổ
Đ nh lu t Newton: ị ậ Đ tính nhi t đ i l u ngể ệ ố ư ười ta dùng công th c Newton:ứ
Trong đó: : h s to nhi t (W/m2.đ ) ph thu c vào r t nhi u thông s .ệ ố ả ệ ộ ụ ộ ấ ề ố
Trong đó: tf: nhi t đ l u ch t.ệ ộ ư ấ
tv: nhi t đ vách.ệ ộ
t c đ chuy n đ ng c a ch t l ng.ố ộ ể ộ ủ ấ ỏ
Đ tính toán để ược phương trình trên, ta c n ph i xác đ nh đầ ả ị ược .
Các chu n s : ẩ ố Vì quá trình to nhi t đ i l u ph thu c vào nhi u chu n sô do ả ệ ố ư ụ ộ ề ẩ
đó, mu n xác đ nh ta c n xác đ nh các chu n s :ố ị ầ ị ẩ ố − Chu n s Nusselt: ẩ ố − Chu n s Reynolds:ẩ ố − Chu n s Prandtl: ẩ ố − Chu n s Grasshof:ẩ ố Trong đó: t c đ chuy n đ ng c a dòng l u ch t (m/s).ố ộ ể ộ ủ ư ấ a: h s d n nhi t đ ; .ệ ố ẫ ệ ộ
cp: nhi t dung riêng đ ng áp (j/kg.ệ ẳ oC). g: gia t c tr ng trố ọ ường (m/s2).
: hi u nhi t đ vách và nhi t đ l u ch t (ệ ệ ộ ệ ộ ư ấ oC). h s giãn n th tích (1/ệ ố ở ể oK;1/oC) v i ch t khí ớ ấ .
Các phương trình th c nghi m cho các lo i l u ch t chuy n đ ng:ự ệ ạ ư ấ ể ộ
Đ tính ngể ười ta thường dùng chu n s Nu và trong t ng trẩ ố ừ ường h p c th thìợ ụ ể
Nu có bi u th c tính riêng. Ngoài ra, ngể ứ ười ta đã tính trước m t s trộ ố ường h pợ