Bài giảng Truyền nhiệt: Chương 4 - ThS. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG 4

TỔNG QUAN VỀ TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU

1. Một số khái niệm cơ bản về đối lưu

2. Nhöõng nhaân toá cô baûn aûnh höôûng ñeán α

3. Phöông trình vi phaân trao ñoåi nhieät ñoái löu

1

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

4. Đồng dạng và các số không thứ nguyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

doøng chaát loûng

tf

q

uf u

1. Một số khái niệm cơ bản về đối lưu

Trao ñoåi nhieät xaûy ra khi beà maët vaät raén tieáp xuùc vôùi löu chaát loûng (khí) khi coù söï cheânh leäch nhieät ñoä

2

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Trao ñoåi nhieät ñoái löu laø quaù trình raát phöùc taïp, chòu aûnh höôûng cuûa:

+ Quy luaät veà naêng löôïng nhieät

+ Quy luaät veà chuyeån ñoäng cuûa löu chaát

3

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

loûng (khí): (cô hoïc löu chaát, bieán ñoåi naêng löôïng…)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

(W/m2)

α=

q

t.(

w −

)t f

(W)

α=

Q

t(F

w −

)t f

Theo ñònh luaät Newton:

Trong ñoù: q – mật độ doøng nhieät, W/m2

Q – doøng nhieät, W

F – dieän tích beà maët trao ñoåi nhieät, m2

α tw – nhieät ñoä beà maët taám phaúng, oC hoaëc K tf – nhieät ñoä trung bình cuûa chaát loûng, oC hoaëc K

4

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

– heä soá toûa nhieät ñoái löu, W/m2oC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2

=α

Heä soá toaû nhieät

)Km/W, (

t

t

q w −

f

Trao ñoåi nhieät ñoái löu laø quaù trình phöùc taïp phuï thuoäc nhieàu yeáu toá:

=α

µρλω ,

,

,

δφ ,

( tf

) ,...

,t, f

w

,C, p

Toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa löu chaát, m/s Heä soá daãn nhieät cuûa löu chaát, W/mK Heä soá nhôùt ñoäng löïc hoïc, N.s/m2 Hình daùng hình hoïc Kích thöôùc tính toaùn, m

ω λ µ φ δ

………..

5

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2 Nhöõng nhaân toá cô baûn aûnh höôûng ñeán α:

– Chuyeån ñoäng töï nhieân:

+ Gaây neân bôûi cheânh leäch khoái

löôïng rieâng ∆ρ

– Chuyeån ñoäng cöôõng böùc:

+ Gaây neân do taùc ñoäng cuûa ngoaïi

löïc (bôm, quaït, maùy neùn…)

6

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Nguyeân nhaân phaùt sinh chuyeån ñoäng:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Cheá ñoä chuyeån ñoäng:

Khaûo saùt doøng chaûy taàng vaø doøng chaûy roái

löu chaát maøu

löu chaát maøu

Doøng chaûy taàng: caùc phaàn töû löu chaát chaûy theo moät doøng phaúng, theo moät traät töï nhaát ñònh (doøng oån ñònh).

Doøng chaûy roái: caùc phaàn töû löu chaát chaûy khoâng oån ñònh vaø raát ngaãu nhieân.

7

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tính chaát vaät lyù cuûa löu chaát loûng (khí):

Caùc thoâng soá aûnh höôûng raát lôùn ñeán α laø:

+ heä soá daãn nhieät: λ

+ nhieät dung rieâng cp

+ khoái löôïng rieâng: ρ

+ heä soá khuyeách taùn nhieät: a

+ ñoä nhôùt ñoäng löïc hoïc: µ

- heä soá nhôùt ñoäng hoïc cuûa löu chaát, m2/s

ρµ=ν

8

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Xeùt 3 loaïi löu chaát thöôøng gaëp trong kyõ thuaät: ñeå thaáy möùc ñoä aûnh höôûng cuûa thoâng soá vaät lyù cuûa löu chaát ñeán α

+ Khoâng khí (hoaëc khí, hoaëc hôi): coù heä soá α raát beù

- Ñoái löu töï nhieân: α ≈ 5 ÷ 10W/m2K

- Ñoái löu cöôõng böùc: α ≈ 15 ÷ 60W/m2K

+ Daàu: tuyø loaïi daàu vaø ñoä nhôùt

- Ñoái löu töï nhieân: α ≈ 50 ÷ 100W/m2K

- Ñoái löu cöôõng böùc: α ≈ 150 ÷ 300W/m2K

+ Nöôùc: coù heä soá α raát lôùn

- Ñoái löu töï nhieân: α ≈ 100 ÷ 600W/m2K

- Ñoái löu cöôõng böùc: α ≈ 1000 ÷ 9000W/m2K

9

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Hình daùng vaø kích thöôùc beà maët trao ñoåi nhieät:

AÛnh höôûng ñeán söï chuyeån ñoäng cuûa doøng löu chaát

AÛnh höôûng ñeán heä soá toaû nhieät α

10

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

11

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Lôùp bieân nhieät vaø lôùp bieân thuyû ñoäng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

99,0

=ω

- Chieàu daøy cuûa lôùp bieân δv laø khoaûng caùch töø beà maët ñeán giaù trò vaän toác

∞ω⋅

Lôùp bieân thuyû ñoäng

99,0

=

−

⋅

)

- Chieàu daøy cuûa lôùp bieân nhieät δt doïc theo beà maët laø khoaûng caùch töø beà maët sao cho nhieät ñoä taïi ñoù thoûa phöông trình )s T

( TT − s

( T ∞

12

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Lôùp bieân nhieät

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

– Phöông trình vi phaân toaû nhieät

– Phöông trình naêng löôïng

– Phöông trình chuyeån ñoäng

– Phöông trình lieân tuïc

13

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

3 Phöông trình vi phaân trao ñoåi nhieät ñoái löu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

– Phöông trình vi phaân toaû nhieät

ÔÛ saùt beà maët vaùch coù moät lôùp moûng löu chaát ñöùng yeân

ñôn thuaàn chæ xaûy ra hieän töôïng daãn nhieät nhieät löôïng naøy baèng nhieät löôïng trao ñoåi ñoái löu

q

α =

λ

=

0nq

α

−

λ−=

⋅

)

( t

t

f

w

fluid

∂ t ∂ n

= 0n

λ−

⋅

fluid

= 0n

(*)

=α

∂ t ∂ n − t

t

f

w

14

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Trong pt (*) muoán xaùc ñònh α, phaûi bieát söï phaân boá nhieät ñoä cuûa lôùp chaát loûng treân beà maët.

Soá aån soá chöa caân baèng vôùi soá phöông trình

Vieát phöông trình vi phaân naêng löôïng

(tìm quy luaät phaân boá gradient nhieät ñoä)

Löu chaát loûng khoâng bò neùn, ñoàng chaát, khoâng coù nguoàn nhieät beân trong,

Boû qua toaû nhieät do ma saùt. Xeùt phaân töû theå tích löu chaát loûng hình hoäp caïnh dx, dy, dz, Nhieät löôïng ñöa vaøo chæ laøm bieán ñoåi entanpi cuûa phaàn töû löu chaát.

Giaû thieát:

15

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

• • • •

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

– Phöông trình naêng löôïng

2

2

2

(**)

ω+

ω+

ω+

=

+

+

a

x

y

z

t 2

t 2

t 2

∂ t τ∂

∂ ∂ x

∂ ∂ y

∂ ∂ z

∂ t ∂ x

∂ t ∂ y

∂ t ∂ z

  

  

Phöông trình naêng löôïng theå hieän söï phaân boá nhieät ñoä beân trong chaát loûng chuyeån ñoäng

Phöông trình (**) phuï thuoäc thaønh phaàn toác ñoä

– Phöông trình chuyeån ñoäng

Thaønh phaàn löïc taùc ñoäng leân khoái löu chaát:

löïc troïng tröôøng löïc taùc ñoäng cuûa khoái löu chaát leân beà maët (do aùp suaát) löïc ma saùt cuûa khoái löu chaát leân beà maët

• • •

2

(***)

ρ

 ω∇µ+∇−ρ= p

 g

 ω d τ d

Phöông trình Navier - Stock

16

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Phöông trình (***) xuaát hieän bieán soá aùp suaát p

– Phöông trình lieân tuïc

Döïa treân nguyeân lyù ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng. Khaûo saùt vôùi löu chaát khoâng chòu neùn

ω∂

(****)

+

+

=

0

ω∂ x ∂ x

y ∂ y

ω∂ z ∂ z

Phöông trình (****) khoâng xuaát hieän bieán soá môùi

– Ñieàu kieän ñôn trò:

ñieàu kieän hình hoïc ñieàu kieän vaät lyù ñieàu kieän bieân ñieàu kieän thôøi gian

• • • •

17

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

– Phöông trình naêng löôïng

– Phöông trình chuyeån ñoäng

– Phöông trình lieân tuïc

18

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Ñeà nghò sinh vieân ñoïc theâm trong saùch giaùo khoa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Trong caùc bieåu thöùc tính toaùn truyeàn nhieät ñoái löu vaø caùc ñieàu kieän bieân coù chöùa caùc soá haïng khoâng thöù nguyeân ñeå bieåu dieãn caùc tham soá vaät lyù:

αl λ

ωl ν

lω a

3 ∆β lg t 2 ν

4 Ñoàng daïng vaø caùc soá khoâng thöù nguyeân

19

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Caùc soá haïng naøy ñöôïc xem nhö laø nhöõng tieâu chuaån ñoàng daïng, goùp phaàn raát lôùn cho söï phaùt trieån trong nghieân cöùu ñoäng löïc hoïc löu chaát loûng vaø trong truyeàn nhieät.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

≡

Nu

α l λ

 Tieâu chuaån Nusselt: Kí hieäu laø Nu (tieâu chuaån cuûa truyeàn nhieät)

•

Soá Nusselt laø giaù trò moâ taû cho quaù trình truyeàn nhieät taïi bieân giöõa vaùch vaø doøng löu chaát.

• Thöôøng ñöôïc söû duïng khi chöa xaùc ñònh ñöôïc quaù trình

20

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

ñoái löu, ñeå xaùc ñònh heä soá toûa nhieät ñoái löu α

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

≡

Re

ω l ν

 Tieâu chuaån Reynold: Kí hieäu laø Re

• Re laø soá haïng theå hieän moái töông quan giöõa löïc quaùn

tính vaø tính nhôùt.

• Re ñaït ñöôïc baèng caùch chia bieåu thöùc cuûa löïc quaùn tính

21

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

cho bieåu thöùc ma saùt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

l

≡

Pe

ω a

)

( −ωρ t

ω

l

0

≡

=

Pe

c p λ

a

−

( t

t

t )0

l

 Tieâu chuaån Peclet: Kí hieäu Pe

Giaù trò Pe laø tyû soá giöõa löôïng nhieät truyeàn baèng ñoái löu

22

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

treân löôïng nhieät truyeàn baèng daãn nhieät.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Tieâu chuaån Grashof: Kí hieäu Gr

3 ∆β lg t 2 ν

≡ Gr

•

Soá Gr theå hieän ñaëc tính löïc ñaåy Archimedes xuaát hieän trong doøng löu chaát do coù söï cheânh leäch tyû troïng.

23

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

β laø heä soá giaûn nôû theå tích cuûa löu chaát loûng •

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Tieâu chuaån Euler: Kí hieäu Eu

2

= Eu

p ρω

•

Soá Eu laø ñaëc tính töông quan giöõa löïc cuûa aùp suaát vaø löïc quaùn tính.

•

0

=

=

Eu

∆ p 2 ρω

− pp 2 ρω

24

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Soá haïng naøy coù trong bieåu thöùc tính toûa nhieät ñoái löu döôùi daïng ñoä cheânh aùp ∆p cuûa löu chaát ôû caùc vò trí trong oáng daãn cuûa quaù trình:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

 Tieâu chuaån Prandtl: Kí hieäu Pr

Soá Pe coù theå ruùt goïn ñöôïc töø phöông trình naêng löôïng ñöa

ν

=

=

Pe

Pr.Re

ω l ν

a

ν

=

Pr

a

veà daïng khoâng thöù nguyeân:

• •

Pr laø soá chæ bieåu thò caùc thoâng soá vaät lyù cuûa löu chaát loûng. Pr laø tieâu chuaån bieåu thò aûnh höôûng cuûa caùc thoâng soá vaät lyù cuûa löu chaát loûng ñeán quaù trình toûa nhieät ñoái löu

ν

= = Pr

25

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

µ pc λ a

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tài liệu tham khảo:

1. Hoàng Đình Tín, truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi

nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001

2. Nguyễn Toàn Phong, Bài Giảng môn học truyền nhiệt, Trường

Đại học Bách Khoa TpHCM

26

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

3. J.P.Holman, heat transfer, Ninth edition, Mc Grew Hill.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

HẾT CHƯƠNG 4

27

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân