Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha trinh TRUYEN NHIET/Truyen Nhiet_Bai 5... · Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha Người soạn: TS. Hà

Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

8/2009

p.1p.1

4.1 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG CỦA TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH

4.2 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên

4.3 Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức

NHẮC LẠINHẮC LẠI::

Để tính trao đổi nhiệt đối lưuĐể tính trao đổi nhiệt đối lưu ththườường dng dùùng cng côông thng thứứcc NewtonNewton::


8/2009

p.2p.2

THỰC NGHIỆM

Q

FTw

Tf

( )fw TTFQ −= α (W)

hayα/1Tq Δ

= (W/m2)

trong đó: - α là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m2.K)- F là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)

- Tw là nhiệt độ trung bình của bề mặt ( K hoặc oC)- Tf là nhiệt độ trung bình của chất lỏng ( K hoặc oC)

Hệ số tỏa nhiệt α phụ thuộc rất nhiều yếu tố

( )K321pfw l,l,l ,,,,c,,,t,tf Φμρλω=α

Phương pháp giải tích gặp rất nhiều khó khăn

α được xác định từ thực nghiệm bằng phương pháp CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỒNG DẠNG


8/2009

p.3p.3

4.1 CÁC TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG của TĐN ĐỐI LƯU ỔN ĐỊNH Pt tiêu chuẩn: Nu = f(Re, Gr, Pr)


8/2009

p.4p.4

TC Nusselt: bieåu thò cöôøng ñoä toûa nhieät:λα

=lNu

yù nghóa VL: Nu = Q toûa nhieät ñoái löu / Q daãn nhieät.

Nu laø TC chöa xaùc ñònh (chöùa α).

TC Reynolds:νω

=lRe laø tyû soá giöõa löïc quaùn tính vaø löïc nhôùt.

=> Ñaëc tröng cho TN ñoái löu cöôõng böùc

TC Grashof: tglGr 2

3

Δν

β=

TC Prandtl:a

Pr ν= Bieåu thò aûnh höôûng cuûa các thông số

vật lý của chaát loûng ñoái vôùi TĐN

=> Ñaëc tröng cho TN ñoái löu töï nhieân

α

Ý nghĩa các thông số:


8/2009

p.5p.5

νω

=lRe tglGr 2

3

Δν

β= a

Pr ν=

( )Pr,Re,GrfNu = α

l: Kích thước xác định (m)

trong đó:

ω: tốc độ trung bình của dòng chất lỏng (m/s)

λ: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (W/m.độ)

ν: độ nhớt động học (m2/s)

a: hệ số khuyếch tán nhiệt của chất lỏng (m2/s)

g: gia tốc trọng trường (m/s2)

β: hệ số giãn nở nhiệt (1/K)

Tra bảng theo nhiệt độ xác định

Đối với chất khí: β = 1/T

Đối với chất lỏng: TRA BẢNG

Sơ đồ tính toán cho bài toán TĐN Đối lưu


8/2009

p.6p.6

2/ Tính:νω

=lRe tglGr 2

3

Δν

β=

( )Pr,Re,GrfNu =3/ Suy ra:l

Nu λα =

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

4.2 Tỏa nhiệt đối lưu TỰ NHIÊN

A) TNĐL töï nhieân trong khoâng gian voâ haïn

B) TNĐL töï nhieân trong khoâng gian höõu haïn


8/2009

p.7p.7

VVíí ddụụ vvềề TTĐĐN N ĐốĐối li lưưu tu tựự nhinhiêênn


8/2009

p.8p.8

VD về TĐN đối lưu tự nhiên: TOÅN THAÁT NHIEÄT TÖØ MAÙY/THIEÁT BÒ RA MOÂI TRÖÔØNG

* Thaát thoaùt nhieät töø vaùch buoàng saáy, loø nung , loø hôi, buoàng haáp-khöû truøng, buoàng khöû öùng suaát,…* Toån thaát nhieät treân ñöôøng oáng daãn hôi, khí noùng, …* Laøm maùt “daøn noùng” tuû laïnh gia ñình* Nhieät toaû ra töø maùy moùc cô khí: maùy ñuøn nhöïa,…


8/2009

p.10p.10

CÑ cuûa chaát loûng doïc bề mặt (BM) laø do söï toàn taïi Δt.

Nhieät ñoä chæ thay ñoåi trong lôùp moûng (lôùp bieân) saùt BM TÑN.

Tröôøng toác ñoä trong lớp biên thay ñoåi lôùn, taïi BM w = 0.

Khi TĐN maõnh lieät, bieán thieân to lôùn thì chaát loûng CÑ caøng maïnh.

Hai cheá ñoä CÑ cô baûn: chaûy taàng vaø chaûy roái.

ĐẶC TRƯNG của ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN


8/2009

p.11p.11

A) TNĐL tự nhiên trong không gian vô hạn

Sử dụng PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN:

( )nmm Pr.GrCNu =

lNum

λα =

2/ Nhiệt độ XÑ: ( )wfm tt21t += Tra bảng λ, a, ν, β, Pr

Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/TmtglGr 2

3

Δν

β=3/Tính

4/ Tra 2 hệ số C, n từ bảng

1/ KTXÑ: oáng ngang laáy l = d ; vaùch ñöùng và oáng ñöùng thì l = chieàu cao;

Trình tự tính toán:

còn tấm ngang thì l lấy bằng chiều hẹp của tấm


8/2009

p.12p.12

Tra 2 hệ số C, n từ bảngTraïng thaùi chuyeån ñoäng (Gr.Pr)m C n

Chaûy maøng < 10 -3 0,5 0Quaù ñoä töø chaûy maøng sang chaûy taàng 1. 10 -3 ÷ 5. 102 1,18 1/8

Chaûy taàng 5. 102 ÷ 2. 107 0,54 1/4

Chaûy roái 2. 107 ÷ 1. 1013 0,135 1/3

Riêng trường hợp đối với tấm phẳng đặt nằm ngang:

(Gr.Pr)m


8/2009

p.13p.13

B) TNĐL tự nhiên trong không gian hữu hạn


8/2009

p.14p.14

Ñeå ñôn giaûn, xem QT TĐN naøy cô baûn laø do

dẫn nhiệt, vôùi “heä soá daãn nhieät töông ñöông” λtñ. ( )2w1w

tñ ttq −δ

λ= (W/m2)

Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương:


8/2009

p.15p.15

tdtd ελλ .=

- KTXĐ: lấy theo chieàu daøy khe δ

- NÑXÑ: lấy theo nhiệt độ trung bình chaát loûng tf = 0,5(tw1 + tw2).

Tra bảng λ, a, ν, β, Pr Lưu ý: Đối với chất khí: β = 1/Tm

( )212

3

wwf ttgGr −=ν

δβ- Tính

Khi thì εtñ = 1 vaø λtñ = λ (DN ñôn thuaàn)

( ) 310Pr ≥⋅ fGr ( ) 25,0ftñ PrGr18,0 ⋅=ε

- Tính εtđ

( ) 310Pr <⋅ fGr

4.3 TỎA NHIỆT ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC


8/2009

p.16p.16

A. Chất lỏng chuyển động trong ống, rãnh

A.1 Toaû nhieät khi chaûy roáiA.2 Toûa nhieät khi chaát loûng chaûy taàngA.3 Toaû nhieät ôû traïng thaùi quaù ñoä


8/2009

p.17p.17

( )PrRe,,GrfNu = α

Caùc CT thöïc nghieäm ñöôïc chia theo 3 vuøng CÑ: chaûy taàng, chaûy roái, g/ñoaïn quaù ñoä.

NÑXÑ: nhieät ñoä chaát loûng tf

KTXĐ: d trong, hoaëc Þ töông ñöông UF4d tñ =

F − dieän tích tieát dieän ngang doøng chaûy, m2.U − chu vi öôùt, m.


8/2009

p.18p.18

dtđ = d1 – d2

Rlw

ffffNu εε

25,043,080,0

PrPr

PrRe021,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Khoâng khí coù Pr ≈ const do ñoù: Nuf = 0,018Ref0,80

Chuù yù:

Moät soá taøi lieäu thöôøng ñöa ra nhöõng CT ñôn giaûn ñeå tính tröïc tieáp α . Ñoù

laø caùch bieåu dieãn khaùc ruùt ra töø PTTC, khoâng maâu thuaãn vôùi nhöõng CT treân.

Coù moät soá CT thöïc nghieäm khaùc nhau, nhöng khoâng theå noùi CT naøo öu

hôn.

Cheá ñoä chaûy roái: khi Re > 104

Xaùo troän raát maïnh; aûnh höôûng cuûa ÑL töï nhieân coù theå boû qua.

PTTC toång quaùt:

chæ

vieät

νω

=lRe


8/2009

p.19p.19

A1. Tỏa nhiệt khi chảy rối

1. εl - aûnh höôûng cuûa ñoaïn ñaàu oáng. Khi l/d > 50 thì εl = 1.

Khi l/d < 50 BAÛNG : Trò soá εl khi chaûy roái

l/d

Ref1 2 5 10 15 20 30 40 50

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 - aûnh höôûng cuûa oáng cong: löïc ly taâm khieán chaát loûng bònhieãu loaïn hôn, laøm taêng α.

Rd77,11R +=ε

R : baùn kính cong cuûa oáng xoaén. p.20p.20

8/2009


8/2009

p.21p.21

A2. Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy tầng

Chaûy taàng: Re < 2200. AÛnh höôûng cuûa ÑLTN khoâng theå boû qua.

lw

fffff GrNu ε

25,01,043,033,0

PrPr

PrRe15,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

- Neáu (l/d)< 50 phaûi nhaân theâm heä soá εl .

BAÛNG : Trò soá εl khi chaûy taàng

l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 50εl 1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1

- Neáu (l/d)> 50 εl = 1.


8/2009

p.22p.22

A3. Tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy quá độ

Ref.10-3 2,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10Ko 2,7 3,3 4,1 7,0 9,0 10,3 15,5 19,5 23 27 30 33

BAÛNG : Trò soá Ko = f(Ref)

- Neáu (l/d)> 50 εl = 1.

- Neáu (l/d)< 50 phaûi nhaân theâm heä soá εl tra từ bảng trạng thái chảy tầng

Re = 2200 ~ 10000 l

25,0

w

f43,0fof Pr

PrPrKNu ε⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

B. CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG NGOÀI VẬT


8/2009

p.23p.23

B.1 Chất lỏng chảy ngang qua tấm phẳngB.2 Chất lỏng chuyển động ngang qua ống đơnB.3 Chất lỏng chuyển động ngang qua cụm ống

B1. Chất lỏng chuyển động ngang qua tấm phẳng


8/2009

p.24p.24

* KTXĐ: l = chiều dài tấm (m)

* NĐXĐ: chọn bằng nhiệt độ chất lỏng (tf)

5f 10Re >

25,0

w

f43,0f

8,0ff Pr

PrPrRe037,0Nu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

5f 10Re <

25,0

w

f43,0f

50,0ff Pr

PrPrRe68,0Nu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

+ Riêng đối với không khí pt có dạng đơn giản hơn:5

f 10Re > 8,0Re032,0 ffNu =

5f 10Re < 5,0Re066,0 ffNu =

B2. Chất lỏng chuyển động ngang qua ống đơn


8/2009

p.25p.25

* KTXĐ: đường kính ngoài ống (d)

* NĐXĐ: nhiệt độ chất lỏng (tf)

• Ref = 10 ~ 103 : 25,0

36,05,0

PrPr

PrRe56,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

w

ffffNu

• Ref = 1000 ~ 2.10525,0

36,06,0

PrPr

PrRe28,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

w

ffffNu

+ Riêng đối với không khí pt có dạng đơn giản hơn:

• Ref = 10 ~ 103 5,0Re49,0 ffNu =

• Ref = 103 ~ 2.105 6,0Re245,0 ffNu =


8/2009

p.26p.26

QT toûa nhieät khi chaát loûng chaûy ngang qua caùc vaät coù hình daïng baátkyø raát phöùc taïp neân khoù xaây döïng ñöôïc qui luaät chung maø caàn tieán haønhthí nghieäm rieâng töøng tröôøng hôïp.

Coù theå tra εϕ ôû ñoà thò.

Neáu goùc va ϕ ≠ 90o, nhân theâm heä soá hieäu chænh o90

α

α=ε ϕ

ϕ

B.3 Chất lỏng chuyển động ngang qua cụm ống


8/2009

p.27p.27

α so le > α song song

BöôùcHSTNTöø haøng

ngang S1, böôùc doïc S2, đường kính ống d vaø soá daõy oáng n theo höôùng doøng. cuûa haøng thöù 1 do ñoä roái loaïn ban ñaàu cuûa doøng quyeát ñònh.

oáng thöù 3 trôû ñi: HSTN oån ñònh.

Hai caùch boá trí cô baûn: song song vaø so le


8/2009

p.28p.28

* KTXĐ: đường kính ngoài ống (d)

* NĐXĐ: nhiệt độ chất lỏng (tf)

• Chuøm oáng song song

i

25,0

w

f36,0f

5,0ff Pr

PrPrRe56,0Nu εε⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ψ

i

25,0

w

f36,0f

65,0ff Pr


⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ψ

Ref < 103

Ref > 103

• Chuøm oáng so le

i

25,0

w

f36,0f

5,0ff Pr


⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ψ

i

25,0

w

f36,0f

6,0ff Pr


⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ψ

Ref < 103

Ref > 103

Toác ñoä ω: choã tieát dieän töï do heïp

nhaát cuûa chuøm oáng.


8/2009

p.29p.29

Ñoái vôùi khoâng khí:

• Chuøm oáng song song

5,0ff Re49,0Nu =

65,0ff Re149,0Nu =

Ref > 103

Ref < 103

• Chuøm oáng so le 6,0Re245,0 ffNu =

Heä soá haøng oáng εi:

Haøng oáng Chuøm oáng song song Chuøm oáng so lethöù nhaát εi = 0,6 εi = 0,6thöù hai εi = 0,9 εi = 0,7thöù ba trôû ñi εi = 1 εi = 1


8/2009

p.30p.30

Neáu goùc va ϕ < 90o thì duøng heä soá εϕ ñeå xeùt aûnh höôûng:

ϕo 90 80 70 60 50 40 30 20 10εϕ 1 1 0,98 0,94 0,88 0,78 0,67 0,52 0,42


8/2009

p.31p.31

HSTN trung bình cuûa toaøn cuïm oáng coù n haøng:

∑

∑=

=

=

== ni

ii

ni

iii

F

F

1

1α

α

n21 FFF === K

( )n

2n 321 α−+α+α=α

Neáu

Documents

Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha trinh TRUYEN NHIET/Truyen Nhiet_Bai 5... · Chương 4: TĐN đối lưu trong môi trường 1 pha Người soạn: TS. Hà