Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 6 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 6: Trao đổi nhiệt đối lưu, cung cấp cho người học những kiến thức như trao đổi nhiệt đối lưu và những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu; công thức newton và các phương pháp xác định hệ số toả nhiệt; trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 6 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chương 6. Trao đổi nhiệt đối lưu 1 Chương 5 chúng ta đã nghiên cứu phương thức trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động vi mô trong một vật hoặc giữa các vật tiếp xúc với nhau. Chương này chúng ta sẽ nghiên cứu một phương thức truyền nhiệt khác: do sự chuyển động vĩ mô của môi chất. 6.1. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU VÀ NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU 6.1.1. Trao đổi nhiệt đối lưu - Là trao đổi nhiệt thực hiện được nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. 1 6.1.2. Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu 2 a. Nguyên nhân gây ra chuyển động Có nhiều nguyên nhân gây ra chuyển động nhưng người ta thường chia ra: + Chuyển động tự nhiên: khi nhiệt độ tăng thì mật độ của các phân tử giảm, khối lượng riêng giảm. Phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng hay chất khí và phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ. + Chuyển động cưỡng bức: Được gây ra bởi ngoại lực. 2 1
6.1.2. Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt đối lưu 3 (Tiếp theo) b. Chế độ chuyển động !" Xác định chế độ chuyển động: Re = # Re < 2300: Chảy tầng Re > 2300: Chảy rối 3 6.1.2. Những nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt 4 đối lưu (Tiếp theo) c. Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí 𝜌 (kg/m3); Cp (J/kgK); 𝜆 (W/m.K); 𝜈 (m2/s); 𝛽 (1/K) d. Hình dạng, kích thước vị trí bề mặt trao đổi nhiệt 4 2
6.3. CÔNG THỨC NEWTON VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP 5 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TOẢ NHIỆT 6.3.1. Công thức Newton q = 𝛼(tw – tf) (W/m2) Q = 𝛼F(tw – tf) (W) 𝑸 𝜶= F(tw − tf) tw: Nhiệt độ bề mặt; tf: Nhiệt độ môi trường; F: Diện tích bề mặt; 𝛼: Hệ số toả nhiệt (W/m2K), là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian khi độ chênh nhiệt độ là 1K; 5 6.3.2. Các phương pháp xác định hệ số toả nhiệt 6 a. Phương pháp giải tích - Viết phương trình vi phân, hệ phương trình vi phân mô tả quá trình và kết hợp với các điều kiện đơn trị để giải bài toán. - Xác định hệ số toả nhiệt bằng phương pháp giải tích còn hạn chế. - Chỉ được sử dụng cho một số trường hợp đơn giản. 6 3
6.3.2. Các phương pháp xác định hệ số toả nhiệt (Tiếp theo) 7 b. Phương pháp thực nghiệm - Xây dựng thí nghiệm rồi đo một số đại lượng cần thiết. - Chỉ đúng cho trường hợp thí nghiệm. Ví dụ: Xác định hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên của ống nằm ngang. - Xác định F, Q, tw, tf - Lấy một cái ống biết kích thước (biết F), bên trong đặt một dây điện trở. Nhiệt mà dây toả ra sẽ truyền ra ngoài môi trường qua bề mặt ống. - Đo I sẽ xác định được Q=R.I2.t. 7 6.3.2. Các phương pháp xác định hệ số toả nhiệt (Tiếp theo) 8 c. Lý thuyết đồng dạng - Điều kiện để hai hiện tượng đồng dạng: + Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình có dạng giống nhau; + Cùng bản chất. - Hai hiện tượng đồng dạng với nhau thì các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có giá trị như nhau. - Tiêu chuẩn đồng dạng là một tập hợp không thứ nguyên của các tiêu chuẩn vật lý đặc trưng cho hiện tượng. - Các tiêu chuẩn đồng dạng tìm được bằng hai cách như sau: + Biến đổi đồng dạng; + Phân tích thứ nguyên. 8 4
c. Lý thuyết đồng dạng (Tiếp theo) 9 - Ví dụ: Trường hợp toả nhiệt đối lưu giữa bề mặt vật rắn và chất chất khí chuyển động xung quanh nó. Phương trình toả nhiệt đối lưu: '! C"C# 𝟃% = Cλ '2 C$ λ2( ). 𝟃& 2 = C 𝛂 Ct 𝛂2 𝛥t2 𝟃% λ( ). 𝟃& bm = 𝛂𝛥t 𝛥t1 𝟃% λ 2( ). = 𝛂2 𝛥t2 𝛥t2 = Ct 𝟃& 2 λ 1( 𝟃% ). 𝟃& 1 = 𝛂1 𝛥t1 (! ) = )! = Cl ☞ Đồng nhất: (2 2 C 𝛂C$ 𝛂1)! 𝛂2)2 𝟃% λ 2 ( ). 2 = 𝛂2 𝛥t2 𝛂1 = C 𝛂 C" = 1 → '! = '2 = const 𝟃& 𝛂2 9 c. Lý thuyết đồng dạng (Tiếp theo) 10 - Các tiêu chuẩn đồng dạng: *" + Tiêu chuẩn Nu = + đặc trưng cho toả nhiệt đối lưu;; !" + Tiêu chuẩn Re = # đặc trưng cho chế độ chuyển động trong đối lưu cưỡng bức; # + Tiêu chuẩn Pr = , đặc trưng cho tính chất vật lý không thứ nguyên; -."%/% + Tiêu chuẩn Gr = #& đặc trưng cho chế độ chuyển động trong đối lưu tự nhiên; 10 5
c. Lý thuyết đồng dạng (Tiếp theo) 11 𝛼: Hệ số toả nhiệt (W/m2K) 𝜆: Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) 𝜔: Tốc độ (m/s) 𝜈: Độ nhớt động học (m2/s) 0 𝛽: Hệ số giãn nở thể tích (1/K) Chất khí: 𝛽 = 1 Chất lỏng: 𝛽 tra bảng. Nhiệt độ xác định là nhiệt độ để xác định các đại lượng vật lý: tf, tw, tm 11 c. Lý thuyết đồng dạng (Tiếp theo) 12 l: Kích thước xác định (m) là kích thước đặc trưng cho quá trình trao đổi nhiệt. + Chất lỏng chuyển động trong ống: l =dtr; + Chất lỏng chuyển động ngoài ống: l =dng; + Chất lỏng chuyển động ngoài ống đặt đứng: l =h; + Vách phẳng đặt đứng: l = h; + Vách phẳng đặt ngang: l = w; + Khe hẹp: chiều rộng khe. 2 Đường kính tương đương: dtđ = 4 3 F: Diện tích tiết diện ngang; U: Chu vi ướt (phần ống tiếp xúc với chất lỏng) 12 6
c. Lý thuyết đồng dạng (Tiếp theo) 13 - Phương trình tiêu chuẩn: Là phương trình nêu lên mối quan hệ giữa tiêu chuẩn không xác định và tiêu chuẩn xác định khác. Nu = f(Re, Gr, Pr …) Nu = CRemPrnGrp C, m, n, p được xác định bằng thực nghiệm. Xây dựng thực nghiệm để xác định giá trị của 𝛼, tổng quát hoá số liệu thực nghiệm dưới dạng phương trình tiêu chuẩn. Phương trình này đúng cho các trường hợp đồng dạng với hiện tượng thực nghiệm. 13 6.4. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN 14 6.4.1. Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian vô hạn - Không gian vô hạn là không gian trong đó các quá trình làm mát hoặc đốt nóng xảy ra một cách độc lập. - Xét bài toán đốt nóng: 14 7
6.4.1. Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian vô hạn (Tiếp theo) 15 - Phương trình tiêu chuẩn: ống, tấm đặt đứng + Chảy tầng: 103 < (Grf.Prf) < 109 45 Nuf = 0,76(Grf.Prf)0,25(45 ' ) 0,25 ( + Chảy rối: (Grf.Prf) > 109 45 Nuf = 0,15(Grf.Prf)0,33(45 ' ) 0,25 ( - Với ống, tấm đặt ngang: 103 < (Grf.Prf) < 109 45 Nuf = 0,5(Grf.Prf)0,25(45 ' ) 0,25 ( + Kích thước xác định là đường kính ngoài ống hoặc chiều rộng tấm; + Khi bề mặt nóng quay lên 𝛼 tăng 30%, quay xuống 𝛼 giảm 30%. 15 6.4.2. Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian hữu hạn 16 - Không gian hữu hạn là không gian trong đó các quá trình làm mát hoặc đốt nóng ảnh hưởng lẫn nhau. 16 8
6.4.2. Trao đổi nhiệt đối lưu trong không gian hữu hạn (Tiếp theo) 17 - Bài toán coi là dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng: 𝜆tđ tw1 − tw2 𝑞= (tw1 − tw2) = 𝛿 𝛿 𝜆tđ 𝛿: Khoảng cách giữa hai vách (chiều dày khe hẹp); 𝜆tđ: Hệ số dẫn nhiệt tương đương 𝜆tđ = 𝜀đl.𝜆 103 < (Grf.Prf) < 106 𝜀đl = 0,105(Grf.Prf)0,3 106 < (Grf.Prf) < 1010 𝜀đl = 0,4(Grf.Prf)0,3 - Kích thước xác định là chiều dày khe hẹp. %(!6 %(& - Nhiệt độ xác định: tf = 7 17 6.5. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC 18 6.5.1. Chuyển động tầng ở trong ống - Chế độ chảy tầng: Re
6.5. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC 19 6.5.1. Chuyển động tầng ở trong ống 19 6.5.2. Chẩy rối trong ống 20 - Chế độ chảy tầng: Re > 2300; - Đối lưu tự nhiên không ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt. - Công thức thực nghiệm: Re > 104 45 Nuf = 0,021Ref0,8Prf0,43(45 ' ) 0,25 𝜀l 𝜀R ( Không khí: Nuf = 0,018Ref0,8 𝜀l 𝜀R 20 10
6.5.3. Trao đổi nhiệt khi chất lỏng chuyển động ngang qua ống21 1. Chất lỏng chuyển động ngang qua một ống Ref = 103 ÷ 2.105 45' 0,25 Nuf = 0,025Ref0,6Prf0,38( ) 𝜀𝜑 45( Ref = 5 ÷ 103 45 Nuf = 0, 5Ref0,5Prf0,38(45 ' ) 0,25 𝜀 𝜑 ( 𝜀 𝜑: Hệ số ảnh hưởng tới góc va đập. 21 2. Chất lỏng chuyển động ngang qua chùm ống 22 Ref = 103 ÷ 105 - Đối với chùm ống song song: 45 Nuf = 0,26Ref0,65Prf0,35(45 ' ) 0,25 𝜀 𝜑 𝜀S ( Với không khí: Nuf = 0,21Ref0,65 𝜀 𝜑 𝜀S 22 11
2. Chất lỏng chuyển động ngang qua chùm ống (Tiếp theo) 23 - Đối với chùm ống so le: 45 Nuf = 0,41Ref0,6Prf0,33(45 ' ) 0,25 𝜀 𝜑 𝜀S ( Với không khí: Nuf = 0,37Ref0,6 𝜀 𝜑 𝜀S - Tốc độ xác định là tốc độ tại tiết diện hẹp nhất; - Nhiệt độ xác định: tf; - Kích thước xác định là đường kính ngoài ống. 23 6.6. TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI CÓ BIẾN ĐỔI PHA 24 - Trao đổi nhiệt khi có biến đổi pha là quá trình trao đổi nhiệt trong đó có sự biến đổi pha. - Lỏng → hơi: Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi; - Hơi → lỏng: Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng. 24 12
6.6.1. Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi 25 1. Đặc trưng và điều kiện của quá trình sôi - Đặc trưng: xảy ra ở t = ts = const; - Hệ số toả nhiệt lớn do sinh ra các bóng hơi làm xáo trộn mạnh lớp chất lỏng; - Điều kiện của quá trình sôi: + Phải có độ quá nhiệt; + Có tâm sôi: Bề mặt nhám, bọt khí … - Sôi ở đâu: Sôi trên bề mặt, sôi trong thể tích; - Chế độ sôi: Sôi bọt, sôi màng; 25 2. Cơ chế sôi 26 a. Sự hình thành các bọt hơi - Khi chất lỏng ở sát bề mặt được cấp nhiệt thì các bọt hơi được hình thành từ các tâm sinh hơi. a. Sự lớn lên của các bọt hơi - Khi các bọt hơi được sinh ra tại các tâm sinh hơi, các bọt hơi lớn dần lên. Sự lớn lên của các bọt hơi do các bọt hơi mới sinh nhận nhiệt từ bề mặt đốt nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi. Lớp chất lỏng này tiếp tục bay hơi vào trong bọt hơi. Mặt khác khi nhận nhiệt, hơi trong bọt hơi giãn nở, kết quả là kích thước của bọt hơi tăng dần. Khi kích thước của bọt hơi đủ lớn, dưới tác dụng của lực Acsimet các bọt hơi được tách ra khỏi bề mặt vật rắn và chuyển động lên phía trên mặt thoáng. Trong quá trình chuyển động lên trên nếu chất lỏng phía trên không được quá nhiệt thì các bọt hơi nổi lên dần bị lạnh sẽ ngưng tụ lại nhỏ dần và biến mất trước khi tới bề mặt thoáng của chất lỏng. Nếu thổi chất lỏng phía trên cũng được quá nhiệt thì hơi sẽ chuyển động lên phía trên và nổ do độ chênh áp suất giữa bề mặt thoáng và trong bọt hơi. Hơi được thoát ra. 26 13
3. Ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ đến quá trình trao 27 đổi nhiệt khi sôi 27 3. Ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ đến quá trình trao đổi 28 nhiệt khi sôi - 𝛥t < 5K: Sôi đối lưu tự nhiên; Lượng bọt hơi sinh ra ít, không đủ làm xáo trộn mạnh lớp chất lỏng sát bề mặt đốt nóng. Hệ số toả nhiệt lúc này được xác định chủ yếu bằng đối lưu tự nhiên một pha. - 5K < 𝛥t < 𝛥tth : Sôi bọt, 𝛼 và q tăng mạnh; Khi 𝛥t tăng độ chênh mật độ phân tử tăng nên hệ số dẫn nhiệt tăng. Khi đó bán kính tâm sinh hơi R0 giảm, tốc độ lớn lên của các bọt hơi nhanh, số lượng các bọt hơi sinh ra nhiều, tần số sinh hơi làm xáo trộn mạnh lớp chất lỏng sát bề mặt đốt nóng. - 𝛥t > 𝛥tth : Chuyển tiếp, 𝛼 và q giảm, 𝛥t tăng; 28- Sôi màng 𝛼 = const và q tăng. 14
3. Ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ đến quá trình trao đổi 29 nhiệt khi sôi (Tiếp theo) - Hệ số toả nhiệt khi sôi bọt: 𝛼 = 3,15p0,15q0,7 (W/m2.K) 𝛼 = 46 𝛥t 2,33q0,5 (W/m2.K) P: Áp suất tuyệt đối khi sôi (bar); q: Mật độ dòng nhiệt (W/m2); 𝛥t = tw - ts: Độ quá nhiệt. 29 6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng 30 - Là quá trình trao đổi nhiệt trong đó có sự biến đổi pha hơi thành pha lỏng. - Điều kiện ngưng hơi: + tw < ts; + Có tâm ngưng hơi. 30 15
6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng 31 (Tiếp theo) - Cơ chế ngưng tụ: Có một bề mặt đặt đứng nhiệt độ tw, hơi bão hoà ts>tw truyền nhiệt cho vách và ngưng tụ lại. Các giọt lỏng ngưng liên kết lại vơi nhau tạo thành màng ngưng chuyển động xuống phía dưới do sự tác dụng của lực trọng trường. 31 6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng 32 (Tiếp theo) - Các chế độ ngưng: + Ngưng giọt: Các giọt chất lỏng hình thành riêng biệt, chế độ này xảy ra không ổn định; + Ngưng màng: Chất lỏng ngưng liên kết thành màng chất lỏng ngưng. Chế độ này thường gặp trong kỹ thuật. 32 16
6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng (Tiếp theo) 33 Trao đổi nhiệt được thực hiện bằng dẫn nhiệt từ bề mặt vách qua màng lỏng ngưng tới môi trường hơi. + q = 𝛼x(ts– tw) = (t :) s − tw) + 𝛼x = : ) ! ;+#(%*=%()? 𝛿𝑥 = 5@- (m) 0 A ! 5@-+% 𝛼d = ∫ 𝛼xdx = 0,943 (W/m2K) A B #(%C=%D)A d: Đường kính ngoài của ống. 33 6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng (Tiếp theo) 34 - Vách nghiêng: 𝛼ngh = 𝛼d ! cos𝜑 (W/m2K) 34 17
6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng (Tiếp theo) 35 - Vách ngang: ! 5@-+% 𝛼ngh =0,72. (W/m2K) #(%C=%D)A 35 6.6.2. Trao đổi nhiệt đối lưu khi ngưng (Tiếp theo) 36 - Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động tới quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng: Khi xét hơi tiếp xúc với vách nhưng nếu hơi chuyển động sẽ ảnh hưởng tới màng ngưng. Do ảnh hưởng của lực ma sát trên bề mặt màng ngưng, khi hơi chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động của màng ngưng thì hơi sẽ có tác động kéo màng ngưng nên 𝛅 giảm. Ngược lại, hơi sẽ có tác dụng cản sự chuyển động của chất lỏng ngưng. F Cùng chiều: 𝛼 tăng; F Ngược chiều: 𝛼 giảm. 36 18