Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 6: Toả nhiệt đối lưu cưỡng bức (Dòng một pha)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

CHƯƠNG 6

TO

Ả

NHI

Ệ

T

ĐỐ

I L

Ư

U CÖÔÕNG BÖÙC

(Doøng moät pha)

1. Khái

ni

ệ

m chung

2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống

3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy beân ngoaøi ống

1

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

1. Khái niệm chung

+ Löu chaát chuyeån ñoäng taùc ñoäng cuûa ngoaïi löïc (bôm, quaït, maùy neùn…)

2

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Lớp bieân vaän toác:

Xeùt doøng löu chaát chaûy qua beà maët taám phaúng

Lôùp bieân

chaûy taàng

Vuøng

chuyeån

ñoåi

Lôùp bieân

chaûy roái

V

1

V

1

V

1

Lôùp roái

Lôùp ñeäm

Lôùp taàng

Beà daøy lôùp bieân

_v

Xeùt doøng löu chaát chaûy beân trong oáng

Lôùp bieân vaän toác

Phaân boá vaän toác

Vuøng thuûy ñoäng

ñaõ phaùt trieån

Vuøng thuûy ñoäng vaøo

3

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Lớp bieân nhieät:

Xeùt doøng löu chaát chaûy qua beà maët taám phaúng

Doøng töï do

T

1

T

1

T

1

Lôùp bieân

nhieät

_t

T

s

+0,99(T

1

-Ts)

Xeùt doøng löu chaát chaûy beân trong oáng

Lôùp bieân nhieät

Phaân boá nhieät

Vuøng nhieät ñoäng

ñaõ phaùt trieån

Vuøng nhieät ñoäng vaøo

4

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy trong ống

Cheá ñoä doøng chaûy của lưu chất chảy trong ống được thể hiện

qua tieâu chuaån Reynolds:

Chế độ chuyeån ñoäng

Re

Chaûy taàng

Re < 2200

Chaûy quaù ñoä

2200 < Re < 10

⁴

Re > 10⁴

(töø taàng sang roái)

Chaûy roái

Tuyø theo cheá ñoä chuyeån ñoäng cuûa doøng löu chaát maø cöôøng ñoä

trao ñoåi nhieät ñoái löu khaùc nhau

5

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

•

Löu löôïng khoái löôïng:

doøng löu chaát chaûy trong oáng ñöôïc xaùc

ñònh theo giaù trò _tb:

Kg/s

G

 

_tbF_c

• Số Reynolds:



.L



Re 

•

Kích thöôùc xaùc ñònh:

4F

c

L  d_tđ

U

: Khoái löôïng rieâng doøng löu chaát

F_c

: Dieän tích maët caét ngang oáng

U: Chu vi ướt.

6

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

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)

Xaùc định phöông trình Nu = f(Re, Gr, Pr) cho caùc tröôøng hôïp:

- Lưu chất chảy rối

- Lưu chất chảy tầng

- Lưu chất chảy quá độ (từ chảy tầng chuyển sang chảy rối)

7

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Khi Re > 10

⁴

2.1 Ch

ế độ

ch

ả

y r

ố

i:

Phöông trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:

 ^0,25

Pr_f

Nu_f 0,021Re⁰_f^,8Pr_f^0,43

_l_R

 

Pr_w

 

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

0,8

Nu_f 0,018Re_f

8

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

•

Nhieät ñoä xaùc ñònh

+ t_f: laø nhieät ñoä trung bình cuûa löu chaát

- t_f’: nhieät ñoä ngoõ vaøo cuûa löu chaát

- t_f’’: nhieät ñoä ngoõ ra cuûa löu chaát





f



t  Pr



f



_f



1

t_f



t_{f '} t_{f ''}



2

+ t_w: nhiệt ñoä beà maët vaùch

t_w Pr_w

• Kích thöôùc xaùc ñònh

+ OÁng troøn: L = d_tr

4F

c

+ Hình daïng khaùc:

L  d_tđ

U

9

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM



^0,25

Pr_f

Pr_w

• Heä

soá xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa phöông höôùng doøng nhieät

.









t_f

q

t_w

t_w> t_f

t_w< t_f

• Heä soá hieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa chieàu daøi oáng: _l

Neáu l/d  50: thì _ltra baûng theo giaù trò Re

l/d

Re_f

1

2

5

10

15

20

30

40

50

1

1.10⁴1,65 1.50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1.03

2.10⁴1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02

5.10⁴1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02

1.10⁵1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02

1.10⁶1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01

1

Neáu l/d > 50: thì _l= 1

10

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

• Heä

soá hieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng ñoä cong cuûa oáng:



_R

(do aûnh höôûng cuûa löïc ly taâm)

d

_R11,77

R

Ñoái vôùi oáng daãn thaúng: _R= 1

Löu yù: phöông trình bieåu dieãm quan heä Nu_fñöôïc söû duïng cho moïi

doøng löu chaát loûng, tröø kim loaïi loûng

11

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Re < 2200

2.2. Ch

ế độ

ch

ả

y t

ầ

ng:

Phöông trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:

 ^0,25

Pr_f

Nu_f 0,15Re_f^0,33Pr_f^0,43Gr_f^0,1

_l

 

Pr_w

 

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

0,33

0,1

Nu_f 0,13Re_fGr_f

12

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

• S

ố

Grashof Gr:

3

gL (t_w t_f)

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

• Heä soá hieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa chieàu daøi oáng: _l

Neáu l/d  50: thì _ltra baûng theo giaù trò Re

l/d 1

2

5

10 15 20 30 40 50

_l

1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1

Neáu l/d > 50: thì _l= 1

13

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

2200 < Re < 10⁴

2.3. Chế độ chảy quá độ:

Phöông trình Nu = f(Re, Gr, Pr) như sau:

 ^0,25

Pr_f

0,43

 

Nu_f K_oPr_f

_

 

Pr

 

w

K_o: Heä soá thöïc nghieäm, tra theo baûng

Re_f.10^-32,2 2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10

K_o1,9 3,2 4,0 6,8 9,5 11 16 19 24 27 30 33

• Heä soá hieäu chænh xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa chieàu daøi oáng: _l

Neáu l/d  50: thì _ltra baûng theo giaù trò Re

l/d 1

2

5

10 15 20 30 40 50

_l

1,90 1,70 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1

Neáu l/d > 50: thì _l= 1

14

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Baøi tập ví dụ 1:

Moät oáng theùp daøi l = 2,5m, ñöôøng kính trong d = 19mm,

nöôùc coù nhieät ñoä trung bình t_f= 30^o

C, vaän toác nöôùc chaûy

trong oáng  = 2m/s, nhieät ñoä beà maët vaùch oáng t_w= 70^oC.

a) Xaùc

ñònh heä soá toaû nhieät



b) Tìm nhieät ñoä nöôùc vaøo vaø ra khoûi oáng

c) Neáu boû qua aûnh höôûng cuûa phöông höôùng doøng nhieät thì

sai soá khi tính  laø bao nhieâu?

15

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Baøi tập ví dụ 2:

Khoâng khí chuyeån ñoäng trong oáng coù aùp suaát p₁= 1bar,

ñöôøng kính trong oáng d = 50mm, chieàu daøi oáng l = 3m, toác ñoä

doøng khí  = 15m/s, nhieät ñoä trung bình doøng khí t_f= 20^oC

- Xaùc

ñònh heä soá toaû nhieät



16

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

3. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy beân

ngoaøi vaät theå

Lôùp bieân

chaûy taàng

Vuøng

chuyeån

ñoåi

Lôùp bieân

chaûy roái

V

1

V

1

V

1

Lôùp roái

Lôùp ñeäm

Lôùp taàng

Beà daøy lôùp bieân

_v

V

1



Ñöôøng taâm

D

Ñieåm öù ñoïng

Lôùp bieân

Ñieåm taùch

+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua taám phaúng

+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua oáng ñôn

+ Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua chuøm oáng

17

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

3.1 Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua taám phaúng:

T

1

V

1

Vuøng

chuyeån

ñoåi

Chaûy roái

Chaûy taàng

x

0

• Kích thöôùc xaùc ñònh: L = l (chieàu daøi taám)

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

18

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Tröôøng hôïp toång quaùt

 ^0,25

Pr_f

Nu_f 0,037Re⁰_f^,8Pr_f^0,43

Nu_f 0,68Re⁰_f^,5Pr_f^0,43

 Khi Re_f> 10⁵

 

Pr_w

 

 ^0,25

Pr_f

 Khi Re_f< 10⁵

 

Pr_w

 

ÑOÁI VÔÙI KHOÂNG KHÍ:

Nu_f 0,032Re⁰_f^,8

Nu_f



0,59Re⁰_f^,55

 Khi Re_f> 10⁵

 Khi Re_f< 10⁵

19

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

3.2 Đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy ngang qua oáng ñôn:

Lôùp bieân roái

Lôùp bieân taàng

Lôùp bieân roái

V

1

V

1



D

Ñieåm taùch

(a) Doøng chaûy taàng Re < 2.10⁵

(b) Doøng chaûy roái Re > 2.10⁵

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.

Phaàn naøy chæ khaûo saùt oáng troøn.

20

Cán bộ giảng dạy: Ths. Phan Thành Nhân

Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 6: Toả nhiệt đối lưu cưỡng bức (Dòng một pha) - Phan Thành Nhân