Bài giảng Truyền nhiệt: Trao đổi nhiệt đối lưu không biến đổi pha - Trần Nam Dương và Ngô Quang Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Truyền nhiệt: Trao đổi nhiệt đối lưu không biến đổi pha, cung cấp những kiến thức như trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn; trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn; Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong đường ống; Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua 1 đường ống;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Truyền nhiệt: Trao đổi nhiệt đối lưu không biến đổi pha - Trần Nam Dương và Ngô Quang Nguyên

Truyền nhiệt Trao đổi nhiệt đối lưu không biến đổi pha Trần Nam Dương – Ngô Quang Nguyên
NỘI DUNG Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong đường ống Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua 1 đường ống Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy ngang qua chùm ống
PHẦN 2: ĐỐI LƯU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU Thế nào là đối lưu ? Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU Chuyển động tự nhiên: gây ra bởi độ chênh mật độ của chất lỏng Nguyên nhân gây ra chuyển động Chuyển động cưỡng bức: bơm, quạt Chảy tầng: Re < 2300 Chế độ chuyển động Chảy rối: Re > 2300 Khối lượng riêng (mật độ) Nhiệt dung riêng Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí Hệ số dẫn nhiệt Độ nhớt động học Tấm phẳng, ống, … Hình dáng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt Trên bề mặt đặt đứng, trên bề mặt nằm ngang, trong đường ống, ngoài đường ống,…
CÔNG THỨC NEWTON 𝑞 = 𝛼. (𝑡 𝑤 − 𝑡 𝑓 ) 𝑄 = 𝑞𝐹 = 𝛼. 𝑡 𝑤 − 𝑡 𝑓 . 𝐹 Trong đó q - Mật độ dòng nhiệt (W/m2) Q - Dòng nhiệt (W) tw - Nhiệt độ bề mặt vách (oC) tf - Nhiệt độ chất lỏng ở xa bề mặt vách (oC) α - Hệ số tỏa nhiệt (W/m2K) Đặc trưng cho quá trình cho quá trình trao đổi nhiệt đối lưu là hệ số α α = f(λ, c, ρ, v, a, β, ω, t w , t f , kích thước) Xác định được alpha rất quan trọng nhưng cũng rất khó
CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TỎA NHIỆT Phương pháp giải tích - Chính xác, có tính tổng quát - Khó thực hiện do biến đổi giải tích phức tạp - Chỉ có thể áp dụng cho những bài toán đơn giản - Lời giải khó triển khai trong thực tế tính toán kỹ thuật - Tiêu tốn thời gian trong việc tìm lời giải, tính toán kỹ thuật Phương pháp thực nghiệm Bài toán đơn giản, nhỏ gọn Có thể thực hiện ngay trong phòng thí nghiệm Bài toán thực tế phức tạp, vật thí nghiệm lớn, kinh phí đắt đỏ Phương pháp đồng dạng đồng dạng Hiện tượng vật lý 1 Hiện tượng vật lý 2 Cùng bản chất vật lý và cùng thỏa mãn những tiêu chuẩn đồng dạng
TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG Một số tổ hợp tiêu chuẩn đồng dạng thường gặp Trong đó α: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu [W/m²K] 𝛼. 𝑙 λ: Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất [W/mK] Tiêu chuẩn Nusselt 𝑁𝑢 = (Đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu) 𝜆 ω: Tốc độ của lưu chất [m/s] v : Độ nhớt động học [m²/s] 𝜔. 𝑙 Tiêu chuẩn Reynold 𝑅𝑒 = (Đặc trưng cho chế độ chảy của chất lỏng hay khí) 𝜐 a: Hệ số dẫn nhiệt độ [m²/s] g: Gia tốc trọng trường [m/s²] 𝜐 β: Hệ số giãn nở vì nhiệt [1/K] Tiêu chuẩn Prandt 𝑃𝑟 = (Đặc trưng cho quan hệ giữa trường độ nhớt và trường nhiệt độ) 𝑎 Khí lý tưởng: B = 1/T Khí thực: Tra bảng 𝑔. 𝑙 3 . 𝛽. Δ𝑡 Δt = tw - tf: Độ chênh nhiệt độ giữa dòng Tiêu chuẩn Grashof 𝐺𝑟 = (Đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên) 𝜐2 lưu chất và bề mặt [K] Kích thước xác định sẽ khác nhau trong trường hợp nhất định Những công thức trên ứng với kích thước xác định là l
PHƯƠNG PHÁP CHUNG GIẢI NHỮNG BÀI TOÁN PHẦN ĐỐI LƯU Bước 1: Nhận dạng bài toán Bước 2: Xác định nhiệt độ xác định, kích thước xác định Bước 3: Tìm công thức tính Nusselt Bước 4: Tính các tiêu chuẩn phục vụ cho tính tiêu chuẩn Nusselt Bước 5: Thay số tìm công thức Nusselt Bước 6: Từ công thức Nusselt tìm được α Nu. λ α= Kích thước xác định 4. F 4. Diện tích Nếu không phải hình dạng đặc biệt d= = U Chu vi Tìm được công thức tính Nusselt là xong
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Thế nào là đối lưu tự nhiên ? Là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện nhờ sự chuyển động tự nhiên của chất lỏng hay khí Nguyên nhân gây ra chuyển động Chênh lệch mật độ do khí nóng có khối lượng riêng nhỏ hơn khí lạnh nên có xu hướng đi lên phía trên 𝑃 = 𝑔. (𝜌1 − 𝜌2 ) Chuyển động tự nhiên phụ thuộc bản chất của các chất, đặc biệt là độ chênh nhiệt độ Độ chênh nhiệt độ Δt càng lớn thì độ chênh mật độ càng lớn dẫn đến cường độ chuyển động tự nhiên càng mạnh Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn Phân loại bài toán Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.1 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn Công thức thực nghiệm 0.25 𝑃𝑟 𝑓 𝑁𝑢 = 𝐶. (𝐺𝑟. 𝑃𝑟) 𝑛 . 𝑃𝑟 𝑤 tw tf h Nhiệt độ xác định: Nhiệt độ trung bình 𝑡 = 0,5. 𝑡 𝑤 + 𝑡 𝑓 Trạng thái chuyển động (Gr.Pr) C n Chảy màng < 10-3 0,5 0 Tấm/ống đặt đứng: h Chảy màng chuyển tiếp chảy tầng 10-3 – 5.102 1.18 1/8 Chảy tầng 5.102 – 2.107 0.54 1/4 tf Chảy rối 2.107 – 1013 0.135 1/3 d tw Bề mặt nóng quay lên trên α tăng 30% so với công thức 𝛼 𝑡𝑡 = 1,3 . 𝛼 𝑐𝑡 δ Ống nằm ngang: d Bề mặt nóng quay xuống dưới α giảm 30% so với công thức Tấm nằm ngang: δ 𝛼 𝑡𝑡 = 0,7 . 𝛼 𝑐𝑡
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hữu hạn h/δ > 3 → tính toán như trường hợp không gian vô hạn Xét tỷ số h/δ h/δ < 3 → tính toán cho trường hợp dẫn nhiệt qua lớp khí Công thức dẫn nhiệt 𝜆 𝑡𝑑 𝑞= 𝑡 𝑤1 − 𝑡 𝑤2 h 𝛿 𝜆 𝑡𝑑 Hệ số dẫn nhiệt tương đương 𝜀 𝑑𝑙 = 𝜆 Hệ số đối lưu Khi 103
Ví dụ 1: Xác định hệ số tỏa nhiệt từ tấm phẳng đặt nằm ngang đến không khí xung quanh. Biết bề mặt tỏa nhiệt quay lên phía trên, kích thước của tấm (2x3)m. Nhiệt độ bề mặt tấm phẳng tw = 100oC, nhiệt độ không khí xung quang là tf = 20oC Bước 1: Xác định dạng bài Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn Bước 2: Xác định kích thước xác định, nhiệt độ xác định Kích thước xác định: chiều rộng tấm (2m), nhiệt độ là t = 0,5 ( 100 + 20 )= 60oC Bước 3: Tìm công thức tính Nusselt 𝑔. 𝛿 3 . 𝛽. Δ𝑡 3 𝑔. 𝛿 . 𝛽. Δ𝑡 𝐺𝑟 = Gr 𝐺𝑟 = 𝜐2 0.25 𝜐2 1 𝑁𝑢 = 𝐶. (𝐺𝑟. 𝑃𝑟) 𝑛 . 𝑃𝑟 𝑓 Pr 9,81. 23 . 60 + 273 . (100 − 20) 𝑃𝑟 𝑤 Prf = (18,97. 10−6 )2 Prw = 5,24 . 1010 λ = 2,9.10-2 W/m2K Tra bảng thông số vật lý của không khí tại 60oC ν = 18,97.10-6 m2/s 𝐺𝑟𝑃𝑟 = 5,24. 1010 . 0,696 = 3,64. 1010 Pr = 0,696 0.25 1 0,703 Tra bảng thông số vật lý của không khí tại 100oC Prw = 0,688 𝑁𝑢 = 0,135. (3,64. 1010 ) 3 . 0,688 Tra bảng thông số vật lý của không khí tại 20oC Prf = 0,703 = 449,824 Nu. λ 449,824.2,9. 10−2 𝑊 α= = = 6,52 δ 2 𝑚2 𝐾 𝑊 𝛼 𝑡𝑡 = 𝛼. 1,3 = 6,52.1,3 = 8,47 𝑚2 𝐾
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong ống Trong công nghiệp có nhiều trường hợp dòng chất lỏng chảy trong ống để trao đổi nhiệt Phân loại dòng chảy Re < 2300: Chảy tầng Re > 2300: Chảy rối
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong ống a, Chảy tầng ( Re < 2300) tw d tf 0.25 𝑃𝑟 𝑓 𝑁𝑢 𝑓 = 0,15. 𝑅𝑒 𝑓 0.33 . 𝑃𝑟 0.43 𝐺𝑟 0.1 𝑓 𝑓 𝜀 𝑙. 𝜀 𝑅 𝑃𝑟 𝑤 𝜀 𝑅 Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ cong ống tới hệ số tỏa nhiệt 𝑑 𝜀 𝑅 = 1 + 1,77 𝑅 𝜀 𝑙 Hệ số hiệu chỉnh theo chiều dài ống l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 >50 εl 1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1 Đối với không khí ( Prf ≈ 0.7) 𝑁𝑢 𝑓 = 0,13. 𝑅𝑒 𝑓 0.33 . 𝐺𝑟 0.1 . 𝜀 𝑙 . 𝜀 𝑅 𝑓 Kích thước xác định là đường kính trong của ống
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng/khí chảy trong ống b, Chảy rối ( Re > 2300) 𝑃𝑟 𝑓 0.25 𝑁𝑢 𝑓 = 0.021. 𝑅𝑒 0.8 . 𝑃𝑟 0.43 𝑓 𝑓 . 𝜀 𝑙. 𝜀 𝑅 𝑃𝑟 𝑤 Đối với không khí ( Prf = 0.7) 𝑁𝑢 𝑓 = 0,018. 𝑅𝑒 𝑓 0.8 . 𝜀 𝑙 . 𝜀 𝑅 𝜀 𝑅 Hệ số kể đến ảnh hưởng của độ cong ống tới hệ số tỏa nhiệt 𝑑 𝜀 𝑅 = 1 + 1,77 𝑅 𝜀 𝑙 Hệ số hiệu chỉnh theo chiều dài ống l/d εl Re = 2.103 Re = 2.104 Re = 2.105 10 1,28 1,18 1,10 15 1,18 1,13 1,08 20 1,13 1,10 1,06 30 1,05 1,05 1,05 40 1,02 1,02 1,02 Kích thước xác định là đường kính trong của ống
Ví dụ 2: Nước chảy trong ống đường kính 60 mm, dài 10m với vận tốc 2m/s. Nhiệt độ của nước là 40oC. Nhiệt độ của thành ống là 90oC. Xác định hệ số tỏa nhiệt và mật độ dòng nhiệt Bước 1: Xác định dạng bài Trao đổi nhiệt đối lưu khi dòng chất lỏng chảy trong ống Bước 2: Xác định kích thước xác định, nhiệt độ xác định Kích thước xác định: đường kính trong (0,06m) , nhiệt độ là nhiệt độ của chất lỏng tf = 40oC Bước 3: Tìm công thức tính Nusselt Phân loại dòng chảy 0.25 4,31 λ = 63,5.10-2 W/m2K 𝑁𝑢 𝑓 = 0.021. 1820940,8 . 4,310,43 Tra thông số vật lý của nước tại 40oC 1,75 ν = 0,659.10-6 m2/s Prf = 4,31 = 796,41 𝜔. 𝑑 2.0,06 𝑅𝑒 𝑓 = = = 182094,08 > 2300 Chảy rối 𝑣 0,659. 10−6 Nu. λ 796,41.63,5. 10−2 𝑊 0.25 Prw = 1,75 α= = = 8428,67 𝑃𝑟 𝑓 d 0,06 𝑚2 𝐾 𝑁𝑢 𝑓 = 0.021. 𝑅𝑒 0.8 . 𝑓 𝑃𝑟 0.43 𝑓 . 𝜀 𝑙. 𝜀 𝑅 εl = 1 ( l>50d) 𝑃𝑟 𝑤 εR = 1 𝑊 𝑞 = 𝛼. 𝑡 𝑤 − 𝑡 𝑓 = 8428,67. 90 − 40 = 421433,5 𝑚2
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống a, Chảy ngang qua 1 ống 0.25 𝑃𝑟 𝑓 Khi 5 < Re < 103 𝑁𝑢 𝑓 = 0,5. 𝑅𝑒 0.5 . 𝑃𝑟 0.38 𝑓 𝑓 . 𝜀𝜑 𝑃𝑟 𝑤 Với không khí 𝑁𝑢 𝑓 = 0,43. 𝑅𝑒 0.5 . 𝜀 𝜑 𝑓 0.25 𝑃𝑟 𝑓 Khi 103 < Re < 2.105 𝑁𝑢 𝑓 = 0,25. 𝑅𝑒 0.6 . 𝑃𝑟 0.38 𝑓 𝑓 𝜀𝜑 𝑃𝑟 𝑤 Với không khí 𝑁𝑢 𝑓 = 0,216. 𝑅𝑒 0.6 . 𝜀 𝜑 𝑓 εϕ - hệ số hiệu chỉnh góc của dòng chảy ( Tra đồ thị bên cạnh ) Kích thước xác định là đường kính ngoài của ống
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống b, Chảy ngang qua chùm ống Trong công nghiệp, các thiết bị trao đổi nhiệt thường gồm nhiều ống (chùm ống) với cách bố trí sole hoặc song song Phương trình tiêu chuẩn tính cho hàng ống thứ 3 trở đi 103< Ref 2 𝜀 𝑆 = 1,12 Vận tốc xác định là tốc độ qua tiết diện hẹp nhất của chùm ống Kích thước xác định là đường kính ngoài của ống
CHƯƠNG 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI KHÔNG CÓ BIẾN ĐỔI PHA 2.4 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua ống b, Chảy ngang qua chùm ống Xác định hệ số tỏa nhiệt trung bình của cả chùm ống Bố trí ống Hàng ống 1 Hàng ống 2 Từ hàng ống thứ 3 Song song 0,6α3 0,9α3 α3 So le 0,6α3 0,7α3 α3 𝛼1 + 𝛼2 + (𝑛 − 2)𝛼3 𝛼 𝑡𝑏 = 𝑛
Ví dụ 3: Một dòng không khí tốc độ ω = 2m/s, thổi xiên 1 góc 60oC so với trục của ống có đường kính ngoài d = 15 mm. Nhiệt độ trung bình của không khí tf = 20oC, nhiệt độ trung bình của mặt ngoài ống tw = 80oC. Xác định hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ống đến không khí. Bước 1: Xác định dạng bài Trao đổi nhiệt đối lưu khi dòng chất lỏng chảy ngang qua ống Bước 2: Xác định kích thước xác định, nhiệt độ xác định Kích thước xác định: đường kính ngoài (0,015) , nhiệt độ là nhiệt độ của chất lỏng tf = 20oC Bước 3: Tìm công thức tính Nusselt Phân loại dòng chảy 𝑁𝑢 𝑓 = 0,43. 1992,030,5 . 0,91 λ = 2,59.10-2 W/m2K Tra thông số vật lý của không khí tại 20oC = 17,46 ν = 15,06.10-6 m2/s 𝜔. 𝑑 2.0,015 𝑅𝑒 𝑓 = = = 1992,03 < 2300 Chảy tầng 𝑣 15,06. 10−6 Nu. λ 17,46.2,59. 10−2 𝑊 α= = = 30,15 d 0,015 𝑚2 𝐾 Không khí 𝑁𝑢 𝑓 = 0,43. 𝑅𝑒 0.5 . 𝜀 𝜑 𝑓 Tra đồ thị ϕ = 60o 𝜀 𝜑 = 0,91
TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN TRÊN BỀ MẶT CÁNH Hệ số tỏa nhiệt đối lưu (kích thước xác định là S – bước cánh) 𝑔. 𝑆 3 . 𝛽. Δ𝑡 𝐺𝑟 = 𝜐2 Công thức tiêu chuẩn −0.5 576 2.873 𝑁𝑢 = 2 + 0.5 𝑆 𝑆 𝐺𝑟. 𝑃𝑟. 𝐿 𝐺𝑟. 𝑃𝑟. 𝐿 𝑁𝑢. 𝜆 Tìm S để tối ưu cho α 𝛼= 𝑆 0.25 0.25 𝑆3. 𝐿 𝐿 Bước cánh tối ưu 𝑆 𝑜𝑝 = 2.714 = 2.714 𝑔 𝐺𝑟. 𝑃𝑟 . 𝛽. Δ𝑡. 𝑃𝑟 𝜐2 𝑊 Số cánh 𝑛= 𝑆+ 𝑡 𝛼𝑆 𝑁𝑢 = = 1.307 𝜆 Lượng nhiệt trao đổi 𝑄 = 𝛼. (2𝑛𝐿𝐻)(𝑡 𝑠 − 𝑡 𝑓 )