Bài giảng Truyền nhiệt VP - Bài 2: Truyền nhiệt bằng đối lưu - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Truyền nhiệt VP - Bài 2: Truyền nhiệt bằng đối lưu - Hà Anh Tùng

1. III. Trao đổi nhiệt bằng ĐỐI LƯU 1 Khái niệm chung về TĐN Đối lưu 2 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG CỦA TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH 3 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên 4 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức p.1
2. p 3.1 Khái niệm chung về TĐN Đối lưu ĐN: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa một bề mặt vật rắn tiếp xúc với mơi trường chất lỏng (khí) cĩ nhiệt độ khác nhau Ỉ cĩ sự chuyển động của chất lỏng Ví dụ: p.2
3. MMộộtt ssốố víví ddụụ vvềề traotrao đổđổii nhinhiệệtt đốđốii llưưuu p.3
4. Cơ chế đối lưu tự nhiên của nước trong ống p.4
5. Để tính trao đổi nhiệt đối lưu Ỉ thường dùng cơng thức Newton: (W) Q Q = α F (Tw −Tf ) Tf F ΔT hay q = (W/m2) Tw 1/α trong đĩ: - α là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m2.K) THỰC NGHIỆM -Flà diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) o - Tw là nhiệt độ trung bình của bề mặt ( K hoặc C) o - Tf là nhiệt độ trung bình của chất lỏng ( K hoặc C) p.5
6. Hệ số tỏa nhiệt α phụ thuộc rất nhiều yếu tố α = f(t w , t f , ω, λ, cp , ρ, μ, Φ, l1 , l 2 , l3 K) Phương pháp giải tích gặp rất nhiều khĩ khăn α được xác định từ thực nghiệm bằng phương pháp CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỒNG DẠNG p.6
7. 3.2 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG của TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH Ỉ Pt tiêu chuẩn: Nu = f(Re, Gr, Pr) αl ™ TC Nusselt: biểu thị cường độ tỏa nhiệt: Nu = α λ ý nghĩa VL: Nu = Q tỏa nhiệt đối lưu / Q dẫn nhiệt. Nu là TC chưa xác định (chứa α). ωl ™ TC Reynolds: Re = là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt. ν => Đặc trưng cho TN đối lưu cưỡng bức βgl3 ™ TC Grashof: Gr = Δt => Đặc trưng cho TN đối lưu tự nhiên ν 2 ν Biểu thị ảnh hưởng của các thơng số ™ TC Prandtl: Pr = a vậtlýcủa chất lỏng đối với TĐN p.7
8. ωl βgl 3 ν ¾ Ý nghĩa các thơng số: Re = Gr = Δt Pr = ν ν 2 a trong đĩ: Nu = f (Re,Gr,Pr) α l: Kích thước xác định (m) ω: tốc độ trung bình của dịng chất lỏng (m/s) g: gia tốc trọng trường (m/s2) λ: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (W/m.độ) Tra bảng theo nhiệt 2 a: hệ số khuyếch tán nhiệt của chất lỏng (m /s) độ xác định ν: độ nhớt động học (m2/s) Đối với chất khí: β = 1/T β: hệ số giãn nở nhiệt (1/K) Đối với chất lỏng: TRA BẢNG p.8
9. Sơ đồ tính tốn cho bài tốn TĐN Đối lưu 1/ Xác định: Nhiệt độ xác định (oC) Kích thước xác định l (m) Tra bảng λ, a, ν, β, Pr Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/T ωl βgl 3 2/ Tính: Re = Gr = Δt ν ν 2 λ 3/ Suy ra: Nu = f (Re,Gr,Pr) α = Nu l p.9
10. 3.3 Tỏa nhiệt đối lưu TỰ NHIÊN A) TNĐL tự nhiên trong không gian vô hạn B) TNĐL tự nhiên trong không gian hữu hạn p.10
11. A) TNĐL tự nhiên trong khơng gian vơ hạn ¾ Sử dụng PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN: n λ Nu = C(Gr.Pr) α = Num m m l ¾ Trình tự tính tốn: 1/ KTXĐ: ống ngang lấy l = d ; vách đứng và ống đứng thì l = chiều cao; cịn tấm ngang thì l lấy bằng chiều hẹp của tấm 1 Tra bảng 2/ Nhiệt độ XĐ: t m = ()t f + t w λ, a, ν, β, Pr 2 βgl 3 Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/T 3/Tính Gr = Δt m ν 2 4/ Tra 2 hệ số C, n từ bảng p.11
12. ™ Tra 2 hệ số C, n từ bảng Trạng thái chuyển động (Gr.Pr)m Cn Chảy màng < 10 -3 0,5 0 Quá độ từ chảy màng sang chảy tầng 1. 10 -3 ÷ 5. 102 1,18 1/8 Chảy tầng 5. 102 ÷ 2. 107 0,54 1/4 Chảy rối 2. 107 ÷ 1. 1013 0,135 1/3 Riêng trường hợp đối với tấm phẳng đặt nằm ngang: (Gr.Pr)m p.12
13. B) TNĐL tự nhiên trong khơng gian hữu hạn Để đơn giản, xem QT TĐN này cơ bản là do λ tđ 2 q = ()t w1 − t w2 (W/m ) dẫnnhiệt, với “hệ số dẫn nhiệt tương đương” λtđ. δ p.13
14. Tính tốn hệ số dẫnnhiệttương đương: λtd = λ.ε td -KTXĐ: lấy theo chiều dày khe δ - NĐXĐ: lấy theo nhiệt độ trung bình chất lỏng tf = 0,5(tw1 + tw2). Tra bảng λ, a, ν, β, Pr Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/Tm βgδ 3 - Tính Gr = ()t − t f ν 2 w1 w2 - Tính εtđ 3 Khi ()Gr ⋅Pr f <10 thì εtđ = 1 và λtđ = λ (DN đơn thuần) 3 0,25 ()Gr ⋅Pr f ≥10 ε tđ = 0,18(Gr ⋅ Pr)f p.14
15. 3.4 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC p.15
16. A. Chất lỏng chuyển động trong ống, rãnh A.1 Toả nhiệt khi chảy rối A.2 Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy tầng A.3 Toả nhiệt ở trạng thái quá độ p.16
17. ™ Các CT thực nghiệm được chia theo 3 vùng CĐ: chảy tầng, chảy rối, g/đoạn quá độ. NĐXĐ: nhiệt độ chất lỏng t f 4F KTXĐ: d trong, hoặc Þ tương đương d = tđ U F − diện tích tiết diện ngang dòng chảy, m2. U − chu vi ướt, m. p.17
18. A.1 TỎA NHIỆT KHI CHẢY RỐI ωl Chế độ chảy rối: khi Re > 104 Re = ν Xáo trộn rất mạnh; ảnh hưởng của ĐL tự nhiên có thể bỏ qua. PTTC tổng quát: 0,25 ⎛ Pr ⎞ 0,80 0,43⎜ f ⎟ Nu f = 0,021Re f Prf ⎜ ⎟ ε lε R ⎝ Prw ⎠ 0,80 Không khí có Pr ≈ const do đó: Nuf = 0,018Ref ) Chú ý: Š Một số tài liệu thường đưa ra những CT đơn giản để tính trực tiếp α . Đó chỉ là cách biểu diễn khác rút ra từ PTTC, không mâu thuẫn với những CT trên. Š Có một số CT thực nghiệm khác nhau, nhưng không thể nói CT nào ưu việt hơn. p.18
19. 8/2009 1. εl - ảnh hưởng của đoạn đầu ống. Khi l/d > 50 thì εl = 1. Khi l/d < 50 Ỉ BẢNG : Trị số εl khi chảy rối l/d 1 2 5 101520304050 Ref 1⋅104 1,65 1,50 1,34 1,23 01,17 01,13 01,07 01,03 01 2⋅104 1,51 1,40 1,27 1,18 01,13 01,10 01,05 01,02 01 5⋅104 1,34 1,27 1,18 01,13 01,10 01,08 01,04 01,02 01 1⋅105 1,28 1,22 1,15 01,10 01,08 01,06 01,03 01,02 01 1⋅106 1,14 1,11 1,08 01,05 01,04 01,03 01,02 01,01 01 2. εR - ảnh hưởng của ống cong: lực ly tâm khiến chất lỏng bị nhiễu loạn hơn, làm tăng α. d ε =1 + 1,77 R R R : bán kính cong của ống xoắn. p.19
20. A.2 TỎA NHIỆT KHI CHẤT LỎNG CHẢY TẦNG Chảy tầng: Re < 2200. Ảnh hưởng của ĐLTN không thể bỏ qua. 0,25 ⎛ Pr ⎞ 0,33 0,43 0,1 ⎜ f ⎟ Nu f = 0,15 Re f Prf Grf ⎜ ⎟ ⎝ Prw ⎠ Nếu (l/d)< 50 phải nhân thêm hệ số εl . BẢNG : Trị số εl khi chảy tầng l/d125101520304050 εl 1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1 A.3 TỎA NHIỆT Ở TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ 0,25 ⎛ Pr ⎞ 0,43⎜ f ⎟ Re = 2200 ~ 10000 Nuf = Ko Prf ⎜ ⎟ ⋅εl ⎝ Prw ⎠ BẢNG : Trị số Ko = f(Ref) -3 Ref.10 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10 Ko 2,7 3,3 4,1 7,0 9,0 10,3 15,5 19,5 23 27 30 33 p.20