Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 2: Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức (Dòng 1 pha)

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

CHÖÔNG 2: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC

TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC

(DOØNG 1 PHA)

§1. KHAÙI QUAÙT

-

Theo nguyeân nhaân chuyeån ñoäng trong quaù trình toaû

nhieät ñoái löu chia thaønh 2 daïng chính: ñoái löu cöõng

böùc vaø ñoái löu töï nhieân.

-

Ñoái löu cöôõng böùc khi doøng chaát loûng coù nhieät ñoä

trung bình t_fchuyeån ñoäng qua beà maët vaät raéng coù

nhieät ñoä trung bình t_wvôùi vaän toác



. Vaän toác naøy ñöôïc

cung caáp bôûi bôm, quaït … VD: …

-

Khi trao ñoåi nhieät ñoái löu cöôõng böùc thì  lôùn hôn raát

nhieàu so vôùi ñoái löu töï nhieân do ñoù dieän tích truyeàn

nhieät nhoû  thieät bò goïn nheï. Tuy nhieân caàn tieâu toán

naêng löôïng ñeå vaän chuyeån löu chaát baèng bôm, quaït,

maùy neùn.

Trong chöông naøy ta chæ khaûo saùt doøng löu chaát 1 pha,

töùc laø khoâng coù bieán ñoåi pha (loûng  hôi, hôi  loûng

…) trong quaù trình trao ñoåi nhieät.

-

Nhieät löôïng truyeàn trong quaù trình toaû nhieät ñoái löu

theo coâng thöùc Newton: Q =



F(t_w– t_f)

L



Theo tieåu chuaån Nusselt Nu 

do ñoù höôùng giaûi

quyeát baøi toaùn trao ñoåi nhieät ñoái löu laø töø lyù thuyeát

ñoàng daïng keát hôïp vôùi thöïc nghieäm trong ñieàu kieän

trao ñoåi nhieät oån ñònh ta tìm ñöôïc phöông trình

Nu=f(Re, Gr, Pr)

Sau ñaây ta xem xeùt töøng tröôøng hôïp cuï theå:

§2. CHAÁT LOÛNG CHAÛY TRONG OÁNG (oáng baát kyø)

Tuyø nheo cheá ñoä doøng chaûy maø cöôøng ñoä trao ñoåi nhieät ñoái

löu khaùc nhau, ñaëc tröng cho cheá ñoä doøng chaûy laø tieâu chuaån

L



Renolds: Re 

Re < 2200

chaûy taàng

2200 <Re < 10⁴

chaûy quaù ñoä

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-1-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

Re > 10⁴

chaûy roái

Trong thieát bò trao ñoåi nhieät ñoái löu cöôõng böùc ngöôøi ta luoân

söû duïng cheá ñoä chaûy roái khi thieát keá ñeå

 lôùn  laøm giaûm

dieän tích trao ñoåi nhieät  thieát bò goïn nheï.

Ñoái vôùi chaát loûng coù ñoä nhôùt cao (nhö daàu maùy bieán aùp, nhôùt)

thì vaãn söû duïng chaûy taàng ñeå giaûm coâng bôm vaø aùp löïc

ñöôøng oáng.

2.1 CHAÁT LOÛNG CHAÛY ROÁI Re > 10⁴



^0,25

Pr_f

Pr_w

0,8

^0,43



Nu_f 0,021Re_fPr_f

_L_R







-

Nhieät ñoä xaùc ñònh laø nhieät ñoä trung bình cuûa löu chaát t_f





_f



trabaûng

t  Pr



f



Nu._f









  



f





L



trabaûng

t_wPr_w

-

Kích thöôùc xaùc ñònh:

Oáng troøn: L = d_tr

•

4F

U

Oáng hình daïng khaùc: L  d_tñ

•

F laø dieän tích maët caét öôùt

U laø chu vi öôùt

F

d

U

F

U

a

D

4ab

d_tñ= _2(a+b)

d_tñ= D d

-

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-2-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa phöông



^0,25

Pr_f





-

Heä soá

Pr_w





höôùng doøng nhieät.

t_f

q

t_w

t_w> t_f

t_w< t_f

Tröôøng hôïp t_w> t_fdoøng nhieät seõ truyeàn töø ngoaøi vaø trong oáng,

chaát loûng gaàn beà maët vaùch coù nhieät ñoä cao hôn  giaûm 



toác ñoä taêng, ngöôïc laïi: t_w< t_fdoøng nhieät seõ truyeàn töø trong

oàng ra ngoaøi, chaát loûng gaàn beà maët vaùch coù nhieät ñoä thaáp

hôn 

phaân boá khaùc nhau, aûnh höôûng ñeán

t_fchöa phaûn aùnh ñöôïc neân theâm heä soá hieäu chænh naøy.



cao  toác ñoä giaûm. Trong hai tröôøng hôïp naøy toác ñoä



maø vieäc choïn nhieät ñoä

-

Heä soá _Lhieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa chieàu daøi

oáng, choïn nhö sau:

L

d

 50  _L1

L

d

L

d

 50  _L f( ;Re_f) tra baûng

L

d

Re

_L

-

Heä soá _Rhieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng ñoä cong cuûa

oáng, do aûnh höôûng cuûa löïc ly taâm neân phaân boá toác ñoä

chaát loûng trong oáng cong khaùc oáng thaúng neân

 taêng

leân

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-3-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

d

R

_R11,77

R laø baùn kính cong cuûa oáng

R giaûm  _Rtaêng 

 taêng

R

  (oáng thaúng)  _R= 1

Phaïm vi söû duïng: coâng thöùc tính Nu_ftreân ñuùng cho moïi chaát

loûng chaûy, tröø kim loaïi loûng vaø ñuùng cho moïi hình daïng oáng.

ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ: Do Pr ít thay ñoåi theo nhieät ñoä



^0,25

Pr_f

Pr_w





(Pr



0,7) neân coù theå xem

1





0,8

Khi ñoù Nu_f 0,018Re_f

0,43

(Goäp 0,021Pr_f 0,018

)

2.2 CHAÁT LOÛNG CHAÛY TAÀNG Re < 2200



^0,25

Pr_f

Pr_w

0,33

0,43

^0,1



Nu_f 0,15Re_fPr_fGr_f

_L







3

gL (t_w t_f)

Tieâu chuaån Grashof Gr 

_f²

g laø gia toác troïng tröôøng, g = 9,81m/s²

[1/K] laø heä soá giaûn nôû nhieät

Chaát loûng: tra baûng theo t_f



1

Chaát khí:  



T_ft_f 273

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-4-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)





f



Pr_f



trabaûng

t 

Nu._f













f

  



f

L





 (chaát khí)



0,1

Heä soá Gr_fxeùt ñeán aûnh höôûng ñoái löu töï nhieân

Heä soá _L

:

L

d

 50  _L1

L

d

L

d

 50  _L f( ) tra baûng

L

d

_L

Do chaûy taàng, toác ñoä thaáp neân xem _R= 1

0,33

0,1

ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ: Nu_f 0,13Re_fGr_f

§3. CHAÁT LOÛNG CHAÛY NGOAØI OÁNG TROØN (chæ oáng troøn)

Khaùc vôùi chaát loûng chaûy trong oáng: hình daïng töøng loaïi oáng

coù ñaëc tröng cuûa chuyeån ñoäng khoâng khaùc nhau nhieàu;

Quaù trình toaû nhieät khi chaát loûng chaûy ngang qua caùc oáng coù

hình daïng baát kyø raát phöùc taïp caàn tieán haønh thí nghieäm rieâng

neân phaàn naøy chæ khaûo saùt oáng troøn.

3.1 CHAÁT LOÛNG CHAÛY NGANG OÁNG ÑÔN

Kích thöôùc xaùc ñònh: d_ng

-

Nhieät ñoä xaùc ñònh: nhieät ñoä trung bình cuûa chaát loûng t_f

-



^0,25

Pr_f

Pr_w

0,5

^0,36



Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,56Re_fPr_f

_









^0,25

Pr_f

Pr_w

^0,36





0,6

Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,28Re_fPr_f







_: heä soá hieäu chænh goùc va giöõa oáng vaø doøng chaát loûng

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-5-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

•

Doøng chaát loûng chaûy vuoâng goùc vôùi oáng: _=1 (

  90^o

)

  90^o: tra ñoà thò

_



ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ:

0,5

Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,49Re_f

0,6

Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,245Re_f

3.2 CHAÁT LOÛNG CHAÛY NGANG CHUØM OÁNG

Trong thieát bò trao ñoåi nhieät ít khi boá trí töøng oáng rieâng leõ maø

thöôøng boá trí daïng chuøm oám nhaèm taêng dieän tích truyeàn

nhieät.

Vieäc boá trí oáng trong thieát bò raát ñang daïng tuyø theo yeâu caàu

coâng ngheä, tuy nhieân veà nguyeân lyù coù theå quy veà 2 daïng boá

trí cô baûn sau:

•

Boá trì song song:

S₂

₀

n haøng oáng

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-6-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

•

Boá trí so le

S₂

₀

n haøng oáng

Thoâng thöôøng trong kyõ thuaät thöôøng choïn:

S₁, S_s= (1,5 3)d_ng



Boá trí so le coù hieäu quaû tryueàn nhieät toát hôn nhöng toån thaát aùp

suaát nhieàu hôn.

a) Chuøm oáng song song



^0,25

Pr_f

Pr_w

0,5

^0,36



Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,56Re_fPr_f

_









^0,25

Pr_f

Pr_w

0,65

^0,36



Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,22Re_fPr_f

_







ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ:

0,5

Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,49Re_f

0,65

Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,149Re_f

b)

Chuøm oáng so le



^0,25

Pr_f

Pr_w

0,5

^0,36



Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,56Re_fPr_f

_









^0,25

Pr_f

Pr_w

0,6

^0,36



Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,4Re_fPr_f

_







CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-7-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ:

0,5

Khi Re_f< 10³: Nu_f 0,49Re_f

0,6

Khi Re_f> 10³: Nu_f 0,35Re_f

Chuù yù: khi söû duïng caùc coâng thöùc treân:

-

Nhieät ñoä xaùc ñònh t_flaø nhieät ñoä trung bình cuûa löu chaát

tröôùc vaø sau chuøm oáng.

-

Kích thöôùc xaùc ñònh laø ñöôøng kính ngoaøi d_ngcuûa oáng

d_ng

Khi tính Re 

thì

)

 laø vaän toác doøng chaûy qua



choå heïp nhaát (  ₀

-



_: heä soá hieäu chænh goùc va giöõa oáng vaø doøng chaát

loûng

•

  90^o



_= 1

  90^o: tra ñoà thò

_



-

Caùc coâng thöùc treân duøng ñeå tính  cho haøng oáng thöù

3 trôû ñi (₃). Khi doøng chaát loûng ñang chuyeån ñoäng

beân ngoaøi ñeán ñaäp vaø beà maët chuøm oáng seõ gaây neân

söï xaùo troän. Do ñoù caùc haøng oáng ñaàu tieân seõ bò aûnh

höôûng bôûi söï xaùo troän naøy vaø aûnh höôûng ñeán heä soá

toaû nhieät ñoái löu



Thöïc nghieäm ngöôøi ta ñaõ xaùc ñònh ñöôïc ôû haøng 1 vaø haøng

2 theo chieàu doøng chaûy cuûa löu chaát seõ coù heä soá toaû nhieät

ñoái löu nhoû hôn haøng oáng thöù 3 trôû ñi vaø ñöôïc hieäu chænh

nhö sau:

  0,6

₂ 0,9₃







1

3

•

Boá trí song song

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-8-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

  0,6

₂ 0,7₃







1

3

•

Boá trí so le

Khi ñoù heä soá trao ñoåi nhieät ñoái löu trung bình cuûa chuøm oáng:

₁ ₂ (n  2)₃(n  0,5)₃

•

Song song  



n

₁ ₂ (n  2)₃(n  0,7)₃

So le  



n

TRÌNH TÖÏ GIAÛI BAØI TOAÙN

TRAO ÑOÅI NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC

ÑEÀ BAØI

(trong oáng, ngoaøi oáng)

Kích thöôùc xaùc ñònh

Nhieät ñoä xaùc ñònh t_f(tra baûng)

Tính Re

Choïn coâng thöùc tính Nu_f

 = Nu./L

Q = F(t_w- t_f)

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-9-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

Các quan hệ khác:

Từ chương trước Nu =CRe^mPrⁿ

Trong đó C, m, và n là các hằng số.

Khái niệm dòng phát triển hoàn toàn (Fully developed flow)

Chảy rối:

Quan hệ của Dittus-Boelter:

Của Sieder-Tate:

Chảy tầng:

Của Hausen:

Của Sieder-Tate:

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-10-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

Chảy ngoài ống đơn:

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)



ⁿ

d

_f

u_d

Pr_f^{1/ 3}





Quan hệ của Knudsen-Katz: Nu_df

 C

_f





Chảy ngoài chùm ống:

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-11-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

u_

S_n

^S_nd

u_max u_

u_max u

S²_n

4













2

 S_p d

a) Bố trí song song

b) Bố trí so le



ⁿ

d

_f

u_maxd

Pr_f^{1/ 3}(chùm ống 10 hàng ống trở lên)





Nu_df

 C

_f





CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-12-

Baøi giaûng Truyeàn nhieät

CHÖÔNG 4: TOÛA NHIEÄT ÑOÁI LÖU CÖÔÕNG BÖÙC (DOØNG 1 PHA)

Đối với chùm ống dưới 10 hàng ống, nhân hệ số hiệu chỉnh:

CBGD: TS. NGUYEÃN MINH PHUÙ

-13-