Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 4: Trao đổi nhiệt đối lưu (Dòng một pha) - Nguyễn Thị Minh Trinh

Nội dung text: Bài giảng Truyền nhiệt - Chương 4: Trao đổi nhiệt đối lưu (Dòng một pha) - Nguyễn Thị Minh Trinh

1. MÔN HỌC: TRUYỀN NHIỆT CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 1
2. Chƣơng 4 4.1. Khái niệm chung  Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi một bề mặt vật rắn tiếp xúc với một môi trường chất lỏng (hoặc khí) chuyển động có sự chênh lệch nhiệt độ với nhau. Ví dụ CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 3
3. Chƣơng 4 4.1. Khái niệm chung  Hệ số trao đổi nhiệt là một hàm phụ thuộc rất nhiều yếu tố: f tw ,tf ,,, ,,cp,,,l  Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu có thể xác định theo lý thuyết bằng việc giải phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng theo phương pháp xấp xỉ hoặc phương pháp số.  Trong thực tế thường được xác định thông qua tiêu chuẩn Nusselt  Từ lý thuyết đồng dạng, trong điều kiện trao đổi nhiệt ổn định, tiêu chuẩn Nusselt có dạng: Nu f (Re, Gr ,Pr) CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 5
4. Chƣơng 4 4.1. Khái niệm chung CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 7
5. Chƣơng 4 4.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU TỰ NHIÊN Trong không Trong không gian rộng gian hẹp CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 9
6. Chƣơng 4 4.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU TỰ NHIÊN (tt) (Trong không gian rộng hay không gian vô hạn)  Bảng tra hệ số C và n đối với ống tròn đặt nằm ngang, vật hình cầu, ống tròn đặt thẳng đứng, vách đặt thẳng đứng. Với Ra = (Gr.Pr)m - Tiêu chuẩn Reyleigh CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 11
7. Chƣơng 4 4.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU TỰ NHIÊN (Trong không gian hẹp hay không gian hữu hạn)  Xem quá trình trao đổi nhiệt trong trường hợp này cơ bản là do dẫn nhiệt.  Sử dụng hệ số dẫn nhiệt tương đương tđ  q tđ t t ,W/m2  w1 w2 CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 13
8. Chƣơng 4 4.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên VÍ DỤ VD 3.1 Một ống đặt thẳng đứng có chiều dài L = 2m, đường kính ngoài của ống d = 100mm, nhiệt độ bề mặt vách ống duy trì không 0 đổi tw = 100 C, đặt trong môi trường không khí yên tĩnh có 0 nhiệt độ tf = 40 C 1. Tính nhiệt lượng vách ống truyền cho không khí. 2. Nếu ống này đặt trong môi trường nước cũng có nhiệt độ 0 tf = 40 C, nhiệt độ vách ống không đổi thì nhiệt lượng vách ống truyền đi là bao nhiêu? ĐS: 1. = 5,7 W/m2K Q = 214,8W 2. = 1536,4 W/m2K Q = 57891,6W CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 15
9. Chƣơng 4 4.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên VÍ DỤ Đáp số VD 3.2 1. Khi tấm nóng ở trên, tấm lạnh ở dưới, không khí giữa 2 tấm đứng yên chỉ tồn tại dẫn nhiệt 0 tf 0,5 tw1 tw2 0,5(40 20) 10 , C  = 2,51 10-2 W/mK 2  2,51 10 2 q t 60 30,12 ,W/m  5 10 2 2. Khi tấm nóng ở dưới, tấm lạnh ở trên đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp. 2 q = 193 W/m CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 17
10. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG  Nhiệt độ tính toán: Là nhiệt độ trung bình của chất lỏng tf  Kích thước tính toán: * Đối với ống tròn: l = d (đường kính trong của ống), m * Đối với ống có hình dạng khác: l = dtđ (đường kính tương đương) 4F d ,m tđ U Trong đó: U – Chu vi ướt, m F – Diện tích tiết diện ngang mà chất lỏng lưu động qua, m2 CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 19
11. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG (tt) (Chế độ chảy tầng Re 2200) 0,25 0,33 0,43 0,1 Prf Nuf 0,15 Ref  Prf  Grf    Prw Trong đó: Prf – Tiêu chuẩn Pr của chất lỏng chọn theo nhiệt độ tf Prw – Tiêu chuẩn Pr của chất lỏng chọn theo nhiệt độ tw  – Hệ số hiệu chỉnh (với chiều dài ống là L) - Nếu (L/d) > 50  = 1 - Nếu (L/d) < 50  được xác định theo bảng tra CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 21
12. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG (tt) (Chế độ chảy rối Re > 104) 0,25 0,8 0,43 Prf Nuf 0,021 Ref  Prf   R Prw Trong đó: Prf – Tiêu chuẩn Pr của chất lỏng chọn theo nhiệt độ tf Prw – Tiêu chuẩn Pr của chất lỏng chọn theo nhiệt độ tw  – Hệ số hiệu chỉnh (với chiều dài ống là L) R – Hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của lực ly tâm khi ống bị uống cong. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 23
13. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY TRONG ỐNG (tt) (Chế độ chảy rối Re > 104) - Nếu ống thẳng R = 1 - Nếu ống bị uống cong với bán kính R R được xác định theo công thức sau: d  1 1,77 R R  Đối với lưu chất là không khí có thể sử dụng công thức đơn giản sau: 0,8 Nu f 0,018 Re f CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 25
14. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức VÍ DỤ VD 3.3 Khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống với đường kính ống nhỏ (ống lồng bên trong) là 30 mm, chiều dài ống là L. Cho biết: - Dầu máy biến áp chuyển động bên trong ống nhỏ, bề dày ống xem như không đáng kể, nhiệt độ dầu vào và ra khỏi ống lần lượt là 65oC và 75oC, tốc độ chuyển động của dầu trong ống là 1,6 m/s. - Hơi nước chuyển động trong không gian giới hạn giữa ống lớn và ống nhỏ với nhiệt độ ở đầu vào là 110oC, áp suất 1,2 bar. Cho biết lưu lượng hơi nước đi qua thiết bị trao đổi nhiệt là 0,014 kg/s. - Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt được xem là 100%, trong quá trình o tính toán có thể xem nhiệt độ bề mặt vách ống nhỏ là tw = 100 C. 1. Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa dầu và vách trong của ống nhỏ. 2. Tính chiều dài L của ống. 3. Xác định enthalpy của hơi nước ở đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 27
15. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY NGOÀI ỐNG ĐƠN  Nhiệt độ tính toán: Là nhiệt độ chất lỏng tf  Kích thước tính toán: đường kính ngoài của ống d 0,25 3 0,5 0,36 Prf * Khi Ref 10 : Nuf 0,28 Ref  Prf   Prw  Đối với không khí, có thể sử dụng công thức đơn giản hơn: 3 0,45 * Khi Ref 10 : f f  CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 29
16. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG  Có 2 cách bố trí chùm ống: song song và so le song song < so le Thông số chùm ống: Bước ngang S1, bước dọc S2, đường kính ống d, số dãy ống n theo hướng dòng chất lỏng chuyển động. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 31
17. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG (tt) Bố trí song song  Dùng cho tất cả các chất lỏng (trừ kim loại lỏng): 0,25 3 0,5 0,36 Prf * Khi Ref 10 : Nuf 0,22  Ref  Prf     i Prw  Dùng cho không khí: 3 0,5 * Khi Ref 10 : Nu f 0,194 Re f CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 33
18. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG Bố trí song song (tt)   là hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng góc va của dòng chất lỏng so với trục ống. Hoặc có thể tra  từ đồ thị: CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 35
19. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức TRƢỜNG HỢP CHẤT LỎNG CHẢY NGANG QUA CHÙM ỐNG Bố trí so le (tt)  i là hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của số hàng ống theo chiều dòng lưu chất. 1   i n  i * Hàng ống thứ nhất: 1 = 0,6 * Hàng ống thứ hai: 2 = 0,7 * Từ hàng ống thứ ba trở đi: i n = 1   là hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng góc va của dòng chất lỏng so với trục ống tra như trường hợp của chùm ống bố trí song song. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 37
20. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức VÍ DỤ VD 3.4 Thiết bị làm mát dầu máy biến áp gồm có 20 ống có đường kính trong d = 21 mm đặt song song, chiều dài mỗi ống L = 1,2 m. Dầu đi vào thiết bị với lưu lượng 2 kg/s. Cho biết nhiệt độ trung bình của bề mặt trong ống là 500C và nhiệt độ trung bình của dầu trong thiết bị là 600C. 1. Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa dầu và vách trong của ống 2. Thiết bị được giải nhiệt bằng dòng không khí đi bên ngoài ống có nhiệt độ trung bình 400C, lưu lượng 4 kg/s. Xác định độ tăng nhiệt độ của dòng không khí sau khi đi qua thiết bị. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 39
21. Chƣơng 4 4.3. Trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức VÍ DỤ VD 3.5 Trong hệ thống sấy người ta dùng hơi nước để gia nhiệt cho không khí. Thiết bị trao đổi nhiệt là chùm ống bố trí song song, ống có kích thước 27/21 mm, số hàng ống theo chiều chuyển động của không khí n = 12. Hơi nước đi vào trong ống có áp suất p = 4 bar, độ khô x = 1, ra khỏi ống ở trạng thái lỏng sôi. Không khí có lưu lượng Vkk = 5000 3 0 m /h vào chùm ống có nhiệt độ t’f = 30 C, ra khỏi chùm ống có 0 nhiệt độ t’’f = 110 C. Vận tốc qua chổ hẹp nhất max = 10 m/s Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống, hãy xác định: 1. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình về phía không khí. 2. Năng suất nhiệt 3. Lưu lượng hơi nước cần cung cấp. CBGD: NGUYỄN THỊ MINH TRINH 41